Радиометрический измеритель коэффициента отражения в широкой полосе частот

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться при определении отражательных свойств искусственных и естественных покрытий и материалов различных конструкций. Радиометрический измеритель коэффициента отражения содержит антенну, подключенную к первому входу направленного ответвителя, последовательно соединенные радиометрический приемник, синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, причем второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый выход блока управления является выходной шиной радиометра, его второй выход подключен к управляющему входу синхронного фильтра низких частот и объединен с управляющим входом СВЧ-переключателя, вход которого подключен к последовательно соединенным источнику тока и генератору шума, а первый и второй его выходы соединены соответственно с согласованной нагрузкой и вторым входом направленного ответвителя. При этом в измеритель введен регулируемый аттенюатор, входом подключенный к третьему выходу СВЧ-переключателя, а выходом - к третьему входу направленного ответвителя, выход которого соединен с входом радиометрического приемника. Технический результат заключается в упрощении устройства и повышение точности измерений с учетом реальных характеристик используемых элементов во входном тракте измерителя. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться при определении отражательных свойств искусственных и естественных покрытий и материалов различных конструкций, в ходе калибровки тепловых широкоапертурных излучателей для обеспечения единства измерений радио-яркостных температур космических и земных объектов, для оценки параметров трехкомпонентной среды кожа-жир-мышцы биологической ткани в медицинских приложениях и т.д.

Известен радиометрический измеритель коэффициента отражения, выбранный в качестве прототипа [Пат. 2439595 РФ, G01R 29/08. Радиометрический измеритель коэффициента отражения / Филатов А.В., Убайчин А.В., Розина Е.И. - Заявка 2010 132 764/28. - Приоритет от 04.08.2010. - БИ. 2012. №1], в состав которого входят (фиг. 1) антенна 1, первый 2 и второй 4 направленные ответвители, СВЧ- переключатель 5, генератор шума 6, источник тока 7. Измерительный канал состоит из радиометрического приемника 8, синхронного фильтра низких частот 9, фильтра высоких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, с первого выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.

Опорный сигнал генератора шума 6 через СВЧ- переключатель 5 поступает на вторые входы идентичных направленных ответвителей. Включение первого 2 и второго 4 направленных ответвителей выполнено так, что для первого ответвителя сигнал генератора шума поступает на антенну 1, для второго - на вход радиометрического приемника 8. Опорный сигнал вырабатывается полупроводниковым генератором шума с применением лавинно-пролетного диода, через активную зону которого протекает ток источника 7. СВЧ-переключатель 5 состоит из трех высокочастотных ключей. Переключатель работает в режиме селектора. В зависимости от управляющих сигналов коммутируется только один ключ и тем самым сигнал генератора шума поступает только на один из трех выходов СВЧ- переключателя. В промежутки времени, когда сигнал генератора шума не должен поступать в направленные ответвители, через третий ключ СВЧ-переключателя выход генератора шума коммутируется на согласованную нагрузку 3.

На входе измерительного канала установлен радиометрический широкополосный приемник 8 с линейной передаточной характеристикой, включающий высокочастотный усилитель, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции, усилитель низких частот. Следующий элемент измерительного канала, синхронный фильтр низких частот 9 производит предварительную фильтрацию сигнала, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированной огибающей и тем самым исключает перегрузку компаратора 11. Фильтр высоких частот 10 собран по схеме однозвенного фильтра первого порядка (представляет собой разделительную CR-цепь) с частотой среза много меньшей частоты модуляции в радиометре, и предназначен для устранения в сигнале постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигнала с минимальными искажениями формы импульсов.

В измерителе синхронно выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Для этого в цифровом блоке управления 12 формируются два управляющих логических сигнала с длительностями tаим и tшим. Сигнал для амплитудно-импульсной модуляции длительностью tаим имеет форму меандра, сигнал для широтно-импульсной модуляции длительностью tшим изменяется от нуля до tаим. Модуляции подвергается сигнал генератора шума с эффективной температурой шумов Tгш. Автоматической регулировкой длительности широтного сигнала в измерителе настраивается нулевой баланс на входе радиометрического приемника:

где β - коэффициент переходного ослабления направленного ответвите-ля, R - коэффициент отражения по мощности в месте приложения антенны к объекту исследования; k - постоянная Больцмана; Δf - полоса рабочих частот измерителя. В это равенство не входят сигналы, первый из которых поступает через антенну от объекта исследования, а второй формируется из собственных шумов измерителя. Они не подвергаются модуляции и в ходе дальнейшей последетекторной обработки исключаются.

Из (1) определяем коэффициент отражения на границе антенны с объектом, который связан с длительностью широтно-импульсного сигнала линейным соотношением:

Когда измеритель сбалансирован на измерения не влияют изменения коэффициента передачи радиометрического приемника (нулевой баланс) и его показания не зависят от дрейфа и низкочастотных флуктуаций сигнала генератора шума. Основное требование к этому сигналу заключается в том, что он должен сохранять свои параметры на периоде амплитудно-импульсной модуляции.

При выводе (2) использовался метод абстрагирования, когда элементы, используемые во входном узле измерителя, такие как антенна, направленные ответвители, считались идеальными и пренебрегались потери, возникающие в соединении антенны с направленным отвевителем. Поэтому, к достоинству данной схемы измерителя коэффициента отражения (прототипа) можно отнести то, что после изготовления он не требует калибровки, а к недостатку -использование во входном узле прецизионных элементов (ответвители с высокой степенью направленности, соединение антенны с ответвителем с низкими потерями, широкополосную антенну с высоким коэффициентом полезного действия). Снижение требований к узлам приведет к росту погрешности. К другому недостатку можно отнести требование высокой идентичности двух направленных ответвителей в широкой полосе частот.

Предлагаемым изобретением решается задача упрощения устройства и повышение точности измерений с учетом реальных характеристик используемых элементов во входном тракте измерителя.

Для достижения этого технического результата в радиометрический измеритель коэффициента отражения, содержащий антенну, подключенную к первому входу направленного ответвителя, последовательно соединенные радиометрический приемник, синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, причем второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый выход блока управления является выходной шиной радиометра, его второй выход подключен к управляющему входу синхронного фильтра низких частот и объединен с управляющим входом СВЧ- переключателя, вход которого подключен к последовательно соединенным источнику тока и генератору шума, а первый и второй его выходы соединены соответственно с согласованной нагрузкой и вторым входом направленного ответвителя, введен регулируемый аттенюатор, входом подключенный к третьему выходу СВЧ- переключателя, а выходом - к третьему входу направленного ответвителя, выход которого соединен с входом радиометрического приемника.

На фиг. 1 показана структурная схема прототипа.

На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого измерителя коэффициента отражения.

На фиг. 3 приведена упрощенная схема входного блока измерителя с параметрами элементов входящих в него узлов.

В состав радиометрического измерителя коэффициента отражения входят (фиг. 2) антенна 1, направленный ответвитель 2, СВЧ-переключатель 5 не отражающего типа, генератор шума 6, источник тока 7. Измерительный канал состоит из приемника 8, синхронного фильтра низких частот 9, фильтра высоких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, с первого выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.

Сигнал генератора шума 6 через СВЧ- переключатель 5 проходит на второй и третий входы направленного ответвителя. На второй вход непосредственно, а на третий вход через регулируемый аттенюатор 14. Аттенюатор введен в измеритель для настройки его передаточной характеристики в процессе калибровки, которая будет описана ниже.

Ответвитель противонаправленного типа имеет симметричную структуру. При поступлении сигнала генератора шума на вход 2 ответвителя, далее этот сигнал распространяется в сторону антенны. В это время вход 3 ответвителя согласован на выходном сопротивлении аттенюатора. Если сигнал генератора шума через аттенюатор 14 поступает на вход 3 направленного ответвителя, далее он распространяется в сторону радиометрического приемника. При этом другой вход ответвителя (вход 2) согласован на выходном сопротивлении СВЧ-переключателя не отражающего типа.

Измерительный канал и блок управления измерителя полностью идентичны прототипу.

На фиг. 3 приведена упрощенная структурная схема входного блока измерителя коэффициента отражения, на которой нанесены параметры входящих в блок узлов, учитывающие конечную направленность ответвителя, потери в соединении антенны с направленным ответвителем и в самой антенне аппликаторного типа, расположенной непосредственно на объекте исследования. Эти элементы вносят основную погрешность в измерения.

Принцип работы измерителя, также, как и в прототипе, заключается в синхронном выполнении двух видов импульсной модуляции: амплитудной и широтной. В результате, в измерителе устанавливается нулевой баланс, определяемый соотношением:

где β и β1 - коэффициенты переходного ослабления противонаправленного ответвителя при поступлении сигнала генератора шума Тгш из основного канала во вспомогательный в прямом и обратном направлениях, β>β1 (для идеального направленного ответвителя β1=0); α - коэффициент затухания сигнала в линии, соединяющей антенну с направленным ответвителем, равен единице в случае отсутствия потерь в линии и нулю при полном ослаблении сигнала; η - коэффициент полезного действия антенны, характеризующий возникающие в ней активные потери; γ - коэффициент ослабления сигнала генератора шума в аттенюаторе.

Откуда коэффициент отражения в месте приложения антенны к объекту исследования равен:

В ходе анализа равенства (4) установлено, что максимальные погрешности измерения R возникают на краях диапазона. Причем, для максимальной границы, то есть для R=1, погрешность имеет положительный знак, а для минимальной, R=0, - отрицательный.

Соответственно, с учетом погрешности коэффициент отражения на границах шкалы измерений будет равен:

Коэффициент затухания аттенюатора входит в (6) для R(1). Следовательно, настройкой γ (в процессе калибровки) можно получить R(1)=1, то есть устранить погрешность измерений для максимальной границы шкалы. Подставляя в (6) вместо R(1) единицу и решая равенство относительно коэффициента ослабления сигнала аттенюатором получим:

Для примера, задаваясь значениями α=0,891 (- 0,5 дБ), η=0,95, β=0,1, β1=0,005 получим γ=0,694. Таким образом, настроив аттенюатор на полученное значение коэффициента ослабления сигнала генератора шума, тем самым устраним погрешность в конце шкалы преобразования. Регулировка аттенюатора осуществляется в процессе калибровки. Для этого к антенне прикладывается идеальный отражатель (гладкий металлический лист) и длительность широтно-импульсного сигнала устанавливается равной длительности импульса амплитудно-импульсной модуляции, tшим=tаим. Регулировку производят до установления нулевого баланса на входе радиометрического приемника который фиксируется на выходе компаратора 11. На этом выходе в момент наступления нулевого баланса будут случайные переходы между состояниями логического нуля и единицы.

Погрешность в начале шкалы преобразования имеет отрицательный знак, не зависит от у и, как следует из (5), определяется только отношением коэффициентов переходного ослабления ответвителя в прямом и обратном направлениях (степенью развязки в ответвителе). Модуль этого отношения равен:

Рассмотрим пример. Если принять погрешность в начале измерительной шкалы равной 0,1, тогда для двух значений β, равных 0,1 (- 10 дБ) и 0,05 (- 13 дБ) из (13) получим β1=0,0072 (- 21,43 дБ) и β1=0,0036 (- 24,45 дБ). Для другого значения погрешности, например, 0,05 при тех же значениях коэффициента переходного ослабления β, получим для β1 0,0036 и 0,0018, что соответственно составляет - 24,43 и- 27,47 дБ. Таким образом, погрешность в начале шкалы преобразования определяется величиной развязки в направленном ответвителе и при ее увеличении (уменьшении Pi) снижается.

В радиометрическом измерителе высокочастотные пассивные устройства выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. СВЧ-переключатель создан с использованием выпускаемых фирмой NEC ключей на три направления (SP3T), таких как UPG2227T5F. В литературе достаточно полно описаны конструкции СВЧ-узлов, направленные ответвители, переключатели, полосовые фильтры и методы их расчетов [например, Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.Н. и др. Под ред. Фельдштейна А.А. Справочник по элементам полосоковой техники. - М.: Связь, 1979. - 336 с.]. В приемнике применены транзисторные усилители.

Таким образом, в отличие от прототипа, схема предлагаемого радиометрического измерителя коэффициента отражения имеет более простую структуру (вместо двух идентичных направленных ответвителей используется один), упрощена конструкция. В измерителе выполняется одноточечная калибровка с использованием введенного в схему регулируемого аттенюатора, что позволяет свести погрешность в конце шкалы преобразования к нулю и тем самым повысить точность измерений.

Радиометрический измеритель коэффициента отражения, содержащий антенну, подключенную к первому входу направленного ответвителя, последовательно соединенные радиометрический приемник, синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, причем второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый выход блока управления является выходной шиной радиометра, его второй выход подключен к управляющему входу синхронного фильтра низких частот и объединен с управляющим входом СВЧ-переключателя, вход которого подключен к последовательно соединенным источнику тока и генератору шума, а первый и второй его выходы соединены соответственно с согласованной нагрузкой и вторым входом направленного ответвителя, отличающийся тем, что в измеритель введен регулируемый аттенюатор, входом подключенный к третьему выходу СВЧ-переключателя, а выходом - к третьему входу направленного ответвителя, выход которого соединен с входом радиометрического приемника.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники, а именно, к системам пассивной радиолокации и может быть использовано для оперативного определения координат неподвижных источников радиоизлучения, в том числе при не разрешении их сигналов по времени и частоте.

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Система определения места повреждения содержит модуль обнаружения электромагнитной помехи (ЭПМ), включающий радиочастотную (РЧ) антенну для обнаружения сигналов ЭПМ и преобразования их в электрический сигнал; запоминающее устройство для хранения данных; двигатель для поворота антенны, при этом обеспечиваются поворот двигателем антенны и выполнение измерений ЭПМ посредством модуля обнаружения ЭПМ и конвертация в электрические сигналы, затем поворот двигателем антенны в следующее заданное угловое положение и снова выполнение измерений ЭПМ посредством модуля обнаружения ЭПМ и конвертация в электрические сигналы, и повторение данной процедуры для заданного числа угловых положений; модуль-анализатор для анализа спектрального состава электрических сигналов для идентификации повреждения; подвижный корпус, в котором размещены модуль обнаружения ЭПМ, антенна, запоминающее устройство и двигатель, и который выполнен с возможностью перемещения из одного положения в другое в области выполнения измерений ЭМП; регистратор местоположения для регистрации местоположения корпуса в процессе обнаружения сигналов ЭМП; и процессор для использования подвергнутых анализу сигналов ЭМП и зарегистрированного местоположения корпуса для определения местоположения повреждения.

Изобретение относится к области аэрокосмической техники, в частности ракетно-космического двигателестроения. Одной из широко распространенных причин отказа жидкостных ракетных двигателей является прогар камеры, начало которого сопряжено с появлением множества заряженных твердых частиц в продуктах сгорания.

Изобретение относится к области радиофизики и может быть использовано для контроля за солнечной, геомагнитной и сейсмической активностью, предвестников землетрясений, извержения вулканов, цунами, процессов грозовой активности, динамики мощных циклонов, а также для обнаружения ядерных и иных крупных взрывов и пожаров, больших аварийных выбросов на атомных электростанциях, запусков космических аппаратов и ракет, излучений мощных радиопередающих комплексов радиолокационного и связного назначения, средств специального воздействия на ионосферу с целью управления ее параметрами.

Изобретение относится к области радиотехнических измерений. Способ включает излучение сигнала с помощью излучающей антенны и прием сигнала с помощью испытуемой антенны.

Изобретение относится к области радиолокационной техники, а именно к способам определения угловых координат измерений произвольного количества точечных близко расположенных целей.

Устройство для оценки эффективности экранирования электромагнитных излучений предназначено для использования в области измерения электрических и магнитных величин, например, для определения степени защиты технических и биологических объектов от электромагнитного поля.

Использование: для непрерывного контроля получаемой дозы СВЧ-энергии на рабочих местах и в быту. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения (СВЧ ЭМИ) содержит первый материал, имитирующий биоткань, первый измерительный детектор, измеряющий мощность СВЧ электромагнитного излучения, и второй измерительный детектор, идентичный первому измерительному детектору, устройство обработки данных и управления, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй материал, имитирующий биоткань, третий измерительный детектор и четвертый измерительный детектор, идентичные первому измерительному детектору, и корпус в форме прямоугольного параллелепипеда из прозрачного для СВЧ электромагнитного излучения (неполярного) диэлектрика, причем первый материал, имитирующий биоткань, размещен под частью внутренней поверхности первой грани корпуса, первый измерительный детектор расположен на внешней поверхности первой грани корпуса над частью первого материала, имитирующего биоткань, второй материал, имитирующий биоткань, прилегает к нижней поверхности первой грани корпуса и расположен рядом с первым материалом, имитирующим биоткань, второй измерительный детектор расположен на участке внешней поверхности первой грани корпуса, к которой не прилегает снизу ни первый материал, ни второй материал, имитирующие биоткань, на нижних поверхностях первого материала и второго материала, имитирующих биоткань, расположены третий измерительный детектор и четвертый измерительный детектор соответственно, причем третий измерительный детектор расположен вне проекции первого измерительного детектора на нижнюю поверхность материала, устройство обработки и управления расположено внутри корпуса и соединено электрическими цепями с каждым из измерительных детекторов соответственно, а толщины первого материала и второго материала, имитирующих биоткань, равны глубинам проникновения электромагнитного излучения для нижней (hн) и верхней (hв) граничной частоты регистрируемого измерительными детекторами диапазона (полосы пропускания) СВЧ электромагнитного излучения.

Изобретение относится к микроволновой радиометрии и может использоваться для измерения электромагнитных сигналов собственного теплового излучения материальных сред в системах дистанционного зондирования Земли, различных природных объектов, промышленности.

Использование: для поиска и обнаружения источников излучения, определения его местоположения, для мониторинга уровня основного и побочных радиоизлучений разного рода бытовых, медицинских и промышленных установок.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться при определении отражательных свойств искусственных и естественных покрытий и материалов различных конструкций. Радиометрический измеритель коэффициента отражения содержит антенну, подключенную к первому входу направленного ответвителя, последовательно соединенные радиометрический приемник, синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, причем второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый выход блока управления является выходной шиной радиометра, его второй выход подключен к управляющему входу синхронного фильтра низких частот и объединен с управляющим входом СВЧ-переключателя, вход которого подключен к последовательно соединенным источнику тока и генератору шума, а первый и второй его выходы соединены соответственно с согласованной нагрузкой и вторым входом направленного ответвителя. При этом в измеритель введен регулируемый аттенюатор, входом подключенный к третьему выходу СВЧ-переключателя, а выходом - к третьему входу направленного ответвителя, выход которого соединен с входом радиометрического приемника. Технический результат заключается в упрощении устройства и повышение точности измерений с учетом реальных характеристик используемых элементов во входном тракте измерителя. 3 ил.

Наверх