УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДИКАЦИИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в широкополосной аппаратуре средств радиоизмерения и контроля.

Извеснны устройства, предназначенные для выявления и индикации источников СВЧ-излучений [1] и [2] Их типовая схема включает в себя, как правило, антенну, нагруженную на модулятор, управляемый низкочастотным генератором, а также широкополосный приемник и звуковой или визуальный регистратор, что обеспечивает выявление ими источников СВЧ-энергии различных классов излучений. В ряде случаев для предотвращения сбоев в работе в условиях воздействия кратковременных импульсных помех в структуру подобных устройств помимо вышеперечисленных функциональных узлов вводятся интегратор с пороговым элементом и блок совпадения, устанавливаемые между приемником и регистратором.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для индикации СВЧ-излучения [2] содержащее последовательно соединенные антенну, модулятор, приемник, интегратор, пороговый элемент, блок совпадения и регистратор (звуковой индикатор), а также генератор модулирующего сигнала, выход которого подключен к вторым входам модулятора и блока совпадения.

Сигнал СВЧ-излучения принимается антенной и поступает в модулятор, куда также подается НЧ-сигнал от генератора модулирующего сигнала. Промодулированный таким образом сигнал претерпевает преобразование (усиливается и детектируется) в широкополосном приемнике и далее интегрируется интегратором. Выделенная огибающая сигнала поступает на пороговый элемент, а с его выходе сформированная последовательность импульсов подается на первый вход блока совпадения, на второй вход которого приходит сигнал от генератора модулирующего сигнала. В результате на выходе блока совпадения получается сигнал, который по существу является повторением НЧ-сигнала генератора модулирующего сигнала, который подается на вход регистратора звукового индикатора.

В процессе приема и выявления СВЧ-излучений, оценивая на слух качество звуковой индикации регистратора, путем изменения постоянной времени интегратора и уровня срабатывания порогового элемента добиваются исключения влияния кратковременных импульсных помех, поступающих вместе с полезным сигналом через антенну в приемник.

Такое устройство наряду с присущими ему положительными качествами обладает рядом существенных недостатков, резко ограничивающих возможности его применения.

Использование устройства-прототипа для выявления СВЧ-излучений в условиях воздействия на него импульсных помех влечет за собой необходимость проведения целого ряда последовательных, взаимозависимых операций, связанных с процессами многократной регулировки уровня срабатывания порогового элемента и подбора постоянной времени интегратора, производимыми вручную, по результатам субъективной оценки на слух звуковой информации, воспроизводимой регистратором. При этом, являясь достаточно длительными и трудоемкими, а также требуя от оператора, обслуживающего устройство, постоянной занятости, указанные процедуры должны повторяться неоднократно и всякий раз заново как в случае изменения характеристик помехи, так и амплитуды источника СВЧ-излучений. В результате в реальных условиях, когда априорно неизвестны ни характеристики помех, ни уровни мощности выявляемых сигналов, ни время их появления в эфире, работа известного устройства оказывается малоэффективной или вообще невозможной и неприемлемой для выделения поступающей полезной информации.

Наиболее полно недостатки прототипа проявляются при попытке его использования для выявления кратковременных низкоуровневых источников СВЧ-излучений, принимаемых на фоне мощных, систематически действующих широкополосных импульсных помех, например длительных и непрерывных индустриальных излучаемых и конъюктивных радиопомех, умышленных помех импульсного характера, создаваемых средствами радиопротиводействия. Имея высокую напряженность электромагнитного поля и обладая широким и насыщенным частотным спектром, такие помехи, попадая в полосу пропускания приемника, резко ухудшают отношение сигнал/помеха на выходе последнего, а следовательно, на входе интегратора и порогового элемента, в результате чего срабатывание блока совпадений и звукового индикатора происходит главным образом, непосредственно под влиянием помех, что не позволяет человеку -оператору, обслуживающему прототип, за время действия источника СВЧ-излучений выделить информацию о его появлении.

Так, например, при длительностях источника СВЧ-излучений, измеряемых единицами секунд, с учетом приведенного ранее алгоритма работы известного устройства, предусматривающего для выделения сигнала из шумов проведение оператором предварительного анализа на слух поступающей информации и осуществление многократных манипуляций по регулировке параметров интегратора и порогового элемента, практически невыполнимо не только выявить сигнал источника СВЧ-излучений и тем более зафиксировать моменты начала и окончания работы последнего, но и просто установить сам факт его появления в эфире. Помимо вышесказанного недостатком прототипа является и то, что с его помощью невозможно выявить источники СВЧ-излучений, в том числе и мощные, в отсутствии каких-либо внешних помех, работа которых совпадает с временными интервалами, соответствующими закрытию блока совпадений напряжением модулирующего генератора в течение половины периодов, вырабатываемых им низкочастотных колебаний, что равноценно 50% времени функционирования известного устройства.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего повысить эффективность выявления кратковременных источников СВЧ-излучений, принимаемых на фоне систематически действующих импульсных помех высокой интенсивности.

Технический результат изобретения заключается в реализации принципа двухполупериодного интегрального накопления сигнала и последующего за этим аналогового суммирования, интегрирования, дифференцирования, двухпороговой обработки и логического сложения полученных сигналов, использовании последних для управления работой регистратора и ускорения операции дифференцирования, что достигается тем, что в устройство для индикации СВЧ-излучений, содержащее последовательно соединенные антенну, модулятор, приемник и первый интегратор, а также модулирующий генератор, первый пороговый элемент, блок совпадения и регистратор, причем выход модулирующего генератора подсоединен к вторым входам модулятора и блока совпадения, выходом соединенного с входом регистратора, введены второй интегратор, первый и второй зарядные ключи, первый и второй аналоговые инверторы, аналоговый сумматор, дифференциатор, второй пороговый элемент, блок ИЛИ, разрядный ключ и электронный фиксатор, при этом выход приемника подсоединен к входу второго интегратора, выход первого интегратора соединен с входом первого зарядного ключа и первым входом аналогового сумматора, выход второго интегратора соединен с входом второго зарядного ключа и через первый инвертор с вторым входом аналогового сумматора, выход которого через дифференциатор подсоединен к входу разрядного ключа и входам первого и второго пороговых элементов, выходами соединенных через блок ИЛИ с управляющим входом разрядного ключа и входом электронного фиксатора, выходом подсоединенного к первому входу блока совпадения, выход модулирующего генератора соединен с управляющим входом первого зарядного ключа, а через второй инвертор с управляющим входом второго зарядного ключа.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства для индикации СВЧ-излучений; на фиг.2 изображены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип его работы.

Устройство для индикации СВЧ-излучений содержит антенну 1, модулятор 2, приемник 3, модулирующий генератор 4, первый 5 и второй 6 интеграторы, первый 7 и второй 8 зарядные ключи, первый 9 и второй 10 инверторы, аналоговый сумматор 11, дифференциатор 12, первый 13 и второй 14 пороговые элементы, элемент ИЛИ 15, разрядный ключ 16, счетный триггер 17, блок 18 совпадения, регистратор 19.

Антенна 1, модулятор 2, приемник 3 и первый интегратор 5 последовательно соединены между собой. Вход модулирующего генератора 4 подключен к вторым входам модулятора 2 и блока 18 совпадения, выходом соединенного с входом регистратора 19. Выход приемника 3 подсоединен к входу второго интегратора 6, выход первого интегратора 5 соединен с входом первого зарядного ключа 7 и первым входом аналогового сумматора 11, выход второго интегратора 6 соединен с входом второго зарядного ключа 8 и через первый инвертор 9 с вторым входом аналогового сумматора 11, выход которого через дифференциатор 12 подсоединен к входу разрядного ключа 16 и входам первого и второго пороговых элементов 13, 14, выходами соединенных через элемент ИЛИ 15 с управляющим входом разрядного ключа 16 и входом счетного триггера 17, выходом подсоединенного к первому входу блока 18 совпадения. Выход модулирующего генератора 4 соединен с управляющим входом первого зарядного ключа 7, а через второй инвертор 10 с управляющим входом второго зарядного ключа 8.

Сигнал СВЧ-излучения, принятый антенной 1, поступает в модулятор 2, выполненный, например на основе аттенюатора с p-i-n-диодами. Одновременно с этим на второй вход модулятора 2 подается периодическое напряжение прямоугольной формы (фиг.2, U₁), вырабатываемое модулирующим генератором 4. Под действием вышеупомянутого напряжения изменяется затухание, вносимое модулятором 2, следствием чего является клиппирование по амплитуде входного СВЧ-сигнала с частотой модулирующего генератора 4.

Промодулированный таким образом СВЧ-сигнал обрабатывается (демодулируется и усиливается) в приемнике 3 и с его выхода выделенная огибающая сигнала, представляющая собой импульсную последовательность (фиг.2, U₄), следующую с частотой клиппирования, подводится к входам первого и второго интеграторов 5 и 6, идентичных по исполнению и реализованных, например, на основе резистивно-емкостных элементов.

Далее выходное напряжение первого и второго интеграторов 5 и 6 поступает соответственно на входы однотипных, например транзисторных, первого и второго зарядных ключей 7 и 8, управляющие входы которых находятся под воздействием подаваемого на них в противофазе (что обеспечивается вторым инвертором 10) периодического напряжения (фиг.2, U₁) модулирующего генератора 4. В результате в течение положительных полупериодов вышеупомянутого напряжения открывается (фиг.2, U₃) первый зарядный ключ 7, обеспечивая тем самым ускоренный заряд через него реактивных, например емкостных, элементов первого интегратора 5, а накопленный таким образом сигнал положительной полярности (фиг. 2, U₅) оказывается приложенным к первому входу аналогового сумматора 11, выполненного, например, на базе транзисторных операционных усилителей.

Во время отрицательных полупериодов напряжения (фиг.2, U₁), вырабатываемого модулирующим генератором 4 и проинвертируемого вторым инвертором 10, реализованным, например, на основе логических интегральных микросхем, открывается второй зарядный ключ 8 (фиг.2, U₂), и аналогично описанному выше происходит интегрирование и накопление сигнала во втором интеграторе 6, выходное напряжение отрицательной полярности которого (фиг.2, U₆) после прохождения через первый инвертор 9 поступает на второй вход аналогового сумматора 11. Последний осуществляет суммирование подаваемых на его первый и второй входы уровней напряжений, а затем полученный результирующий сигнал (фиг.2, U₇) подвергается дифференцированию (фиг.2, U₈) в дифференциаторе 12, формирующем при появлении сигнала (время t₁) и его окончании (время t₄) разнополярные импульсы треугольной формы. Эти импульсы (фиг.2, U₈) далее следуют на вход разрядного ключа 16, например транзисторного, и входы первого и второго пороговых элементов 13 и 14, например полупроводниковых компараторов или спусковых устройств, где они сравниваются по амплитуде с разнополярными опорными потенциалами, соответствующими порогам срабатывания пороговых элементов 13 и 14 (отмечены на фиг.2 горизонтальными пунктирными линиями с надписями "порог 1-2" и устанавливаются, исходя из условий возможности обработки СВЧ-сигналов, равных по уровню номинальной чувствительности радиоприемника 3).

Вследствие сравнения продифференцированного и опорных пороговых напряжений на выходах первого и второго пороговых элементов 13 и 14 формируются прямоугольные импульсы положительной полярности (фиг.2, U₉, U₁₀), следующие через элемент ИЛИ 15 на управляющий вход разрядного ключа 16 и вход счетного триггера 17.

Пришедший с элемента ИЛИ 15 импульс напряжения (фиг.2, U₁₁, время t₂-t₃), характеризующий факт появления СВЧ-сигнала, открывает разрядный ключ 16, обеспечивающий ускоренный разряд зарядных цепей дифференциатора 12, а также вызывает срабатывание счетного триггера 17 и установку на его выходе единичного потенциала (фиг. 2, U₁₂, время t₂-t₅), открывающего по первому входу блок 18 совпадения. Будучи открытым по первому входу, блок совпадения формирует на своем выходе из поступающего на его второй вход периодического напряжения (фиг. 2, U₁), вырабатываемого модулирующим генератором 4, последовательность импульсов (фиг. 2, U₁₃, время t₂-t₅), под действием которых регистратор 19, например слуховой или визуальный индикатор, излучает звуковые колебания или световую энергию, свидетельствующие о приеме СВЧ-сигнала. По окончании действия источника СВЧ-излучений происходит резкое падение выходного напряжения аналогового сумматора 11 (фиг.2, U₇, время t₅), что приводит к образованию дифференциатором 12 треугольного импульса отрицательной полярности (фиг.2, U₈, время t₄-t₅), вызывающего срабатывание второго порогового элемента 14. Полученный на его выходе прямоугольный импульс положительной полярности (фиг. 2, U₁₀, время t₅-t₆), пройдя через элемент ИЛИ 15 (фиг.2, U₁₁, время t₅-t₆) на счетный триггер 17 и управляющий вход разрядного ключа 16, вызывает ускоренный разряд через ключ 16 зарядных цепей дифференциатора 12, а также установку на выходе счетного триггера 17 нулевого потенциала (фиг. 2, U₁₂, время t₅), закрывающего по первому входу блок 18 совпадения. В связи с этим оканчивается формирование импульсов (фиг.2, U₁₃, время t₅) на выходе блока 18 совпадения из поступающего на его второй вход периодического напряжения модулирующего генератора 4, а следовательно, прекращается запуск регистратора 19 и излучение им звуковых колебаний или световой энергии, что свидетельствует об окончании приема СВЧ-сигнала.

Рассмотренные процессы, связанные с обнаружением и индикацией наличия СВЧ-сигнала на входе антенны 1, повторяются всякий раз в начале и по окончании действия источников СВЧ-излучений независимо от того сопровождается СВЧ-сигнал импульсными помехами или нет. При этом все операции по выделению сигнала из помех и получению информации о его приеме происходят автоматически после проведения (например, перед вводом устройства в эксплуатацию) однократной установки уровней срабатывания первого и второго пороговых элементов 13 и 14 из расчета приема и обработки СВЧ-сигналов, по мощности равных номинальной чувствительности радиоприемника 3, при фиксированных значениях постоянных времени первого и второго интеграторов 5 и 6 τ_1,2 >> T >> t_u где Т и t_u соответственно длительности полупериода колебаний модулирующего генератора 4 и элементарных импульсов помехи в полосе пропускания радиоприемника 3.

Из перечисленных выше параметров ноpманальная чувствительность является величиной априорно известной, ее значение, как правило, приводится в технических данных применяемых широкополосных радиоприемников 3, или может быть легко измерена экспериментально по известным методикам. Не представляет труда и соблюдение условий по выбору постоянной времени τ_1,2 первого и второго интеграторов 5 и 6, поскольку уже при клиппировании входного СВЧ-сигнала в модуляторе 2 в диапазоне звуковых частот, пригодных одновременно для запуска слуховых, а также визуальных регистраторов, может быть обеспечено эффективное обнаружение и фиксация начала и окончания действия СВЧ-сигналов, появляющихся на фоне наиболее распространенных помех импульсного и квазиимпульсного характера, излучаемых основными видами источников индустриальных радиопомех, такими как коллекторные электрические машины, системы с электромагнитными прерывателями, электрическое зажигание двигателей внутреннего сгорания автотранспорта, ионные газовые приборы и разрядники, электросварка и т. д. а также аналогичные им по спектральным и временным характеристикам. Средняя частота следования элементарных импульсов вышеупомянутых помех имеет порядок 10-10⁴ имп/с при длительности (t_u) последних, измеряемых единицами микросекунд и менее, поэтому, обеспечив, как указывалось ранее, работу модулирующего генератора 4 на одной из частот звукового диапазона, например 1 кГц (полупериод колебаний Т 500 мкс), и зафиксировав постоянную времени первого и второго интеграторов 5 и 6, например, в пределах τ_1,2= 1-2 с, достигают возможность выявления кратковременных СВЧ-сигналов аналогичной длительности и тем более превышающих ее.

Помимо вышесказанного обеспечиваемая за счет совместной работы первого и второго интеграторов 5 и 6, управляемых первым и вторым зарядными ключами 7 и 8, двухполупериодная обработка СВЧ-излучений, принимаемых антенной 1, позволяет осуществлять отслеживание высокоуровневых сигналов в течение всего времени работы модулирующего генератора 4 и снизить требования к управляемому им модулятору 2 по вносимому затуханию, что при практическом использовании позволяет уменьшить энергопотребление этого элемента. Будучи полностью автоматизированным, простым и удобным в эксплуатации, заявленное устройство выгодно отличается от аналогов и прототипа, позволяя в сложной электромагнитной обстановке, характеризуемой наличием широкополосных импульсных помех самой различной интенсивности, эффективно выявлять и индицировать кратковременные низкоуровневые источники СВЧ-излучений с априорно неизвестными параметрами излучаемой мощности и временем появления в эфире, фиксировать начало и окончание их действия, в связи с чем оно может быть широко использовано в составе радиоизмерительной аппаратуры, функционирующей в условиях воздействия систематических, мощных индустриальных излучаемых и конъюктивных импульсных радиопомех. Указанные достоинства предлагаемого устройства существенно расширяют границы его использования и обеспечивают надежное обнаружение источников СВЧ-энергии самых различных уровней и классов радиоизлучений в условиях, при которых известные устройства аналогичного значения оказываются малоэффективными или вообще теряют свою работоспособность.

Использование: в радиотехнике для средств радиоизмерения и контроля. Сущность изобретения: устройство содержит антенну 1, моделятор 2, приемник 3, моделирующий генератор 4, два интегратора 5, 6, два зарядных ключа 7, 8, два инвертора 9, 10, аналоговый сумматор 11, дифференциатор 12, два пороговых элемента 13, 14, элемент ИЛИ 15, разрядный ключ 16, счетный триггер 17, блок 18 совпадения и регистратор 19. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДИКАЦИИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащее последовательно соединенные антенну, модулятор, приемник и первый интегратор, модулирующий генератор, первый пороговый элемент, блок совпадения и регистратор, выход модулирующего генератора соединен с вторыми входами модулятора и блока совпадений, выход которого соединен с входом регистратора, отличающееся тем, что в него введены второй интергатор, первый и второй зарядные ключи, первый и второй аналоговые инверторы, аналоговый сумматор, дифференциатор, второй пороговый элемент, элемент ИЛИ, разрядный ключ и счетный триггер, выход приемника соединен с входом второго интегратора, выход первого интегратора с входом первого зарядного ключа и первым входом аналогового сумматора, выход второго интегратора с входом второго зарядного ключа и через первый инвертор с вторым входом аналогового сумматора, выход которого через дифференциатор соединен с входом разрядного ключа и входами первого и второго пороговых элементов, выходы которых через элемент ИЛИ соединены с управляющим входом разрядного ключа и входом счетного триггера, выход которого соединен с первым входом блока совпадения, выход модулирующего генератора соединен с управляющим входом первого зарядного ключа и через второй инвертор с управляющим входом второго зарядного ключа.