РАДИОСПЕКТРОМЕТР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ Российский патент 1996 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для проведения прецизионных радиометрических измерений в миллиметровом диапазоне длин волн.

Известен радиоспектрометр с частотной модуляцией, содержащий антенну, усилитель высокой частоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты, первый и второй полосовые фильтры, первый и второй квадратичные детекторы, балансовое устройство, усилитель низкой частоты, синхронный детектор, фильтр низких частот, а также первый и второй гетеродины, переключатель гетеродинов и генератор модулирующей частоты. В указанном радиоспектрометре осуществляются частотная модуляция путем поочередного подключения гетеродинного входа смесителя к первому и второму гетеродинам через переключатель гетеродинов к первому и второму гетеродинам через переключатель гетеродинов с частотой, определяемой генератором модулирующей частоты.

Спектр на выходе приемника с помощью двух полосовых фильтров, имеющих одинаковые полосы пропускания, разделяется на два разнесенных по частоте канала. Центральные частоты этих каналов выбираются так, чтобы в режиме переключения первого и второго гетеродинов исследуемый сигнал поступал то в первый, то во второй каналы. Периодические составляющие сигналов с выходов каналов поступают на балансное устройство, где вычитаются. В результате радиоспектрометр измеряет излучение наблюдаемой линии в течение всего времени наблюдения, что позволяет повысить его чувствительность в раза с вравнении со случаем амплитудной модуляции сигнала на входе редиометра.

Применение частотной модуляции в указанном устройстве при работе в СВЧ- и особенно в миллиметровом диапазонах влечет появление так называемых "ложных" сигналов. В антенне, антенном фидере и входном тракте радиометра неизбежно возникновение отражений волн на сочленениях, элементах тракта и т. п. В результате на вход приемника поступают частично когерентные волны с различным запаздыванием, а изменение частоты гетеродина приводит к изменению условий интерференции и, следовательно, к изменению выходного напряжения и снижению точности измерений радиоспектрометра с частотной модуляцией. Последнее является его существенным недостатком.

На фиг. 1 приведена структурная схема радиоспектрометра с частотной модуляцией; на фиг. 2 структурная схема блока управления гетеродинами (БУГ); на фиг. 3 структурная схема генератора модулирующей частоты (ГМЧ); на фиг. 4 частотная характеристика усилителя промежуточной частоты с указанием областей анализа посредством двух каналов, содержащих однополосные смесители с полосовыми фильтрами на выходах.

Радиоспектрометр с частотной модуляцией содержит (см. фиг. 1) антенну 1, усилитель 2 высокой частоты 2, смеситель 3, усилитель 4 промежуточной частоты (УПЧ), первый гетеродин 5, первый, второй однополосные смесители 6, 7, первый, второй полосовые фильтры 8, 9, первый, второй квадратичные детекторы 10, 11, блок вычитания 12, блок суммирования 13, первый, второй синхронные детекторы (СД) 14, 15, генератор модулирующей частоты (ГМЧ) 16, регистратор 17, усилитель постоянного тока (УПТ) 18, блок управления гетеродинами (БУГ) 19, второй гетеродин 20, третий гетеродин 21.

Первый, второй однополосные смесители 6 и 7 выполнены по схеме, содержащей два балансных смесителя, и устройства, обеспечивающего подавление зеркального канала. Блок вычитания 12 выполнен с подобранными соответствующим образом весовыми коэффициентами по двум его входам. Эти весовые коэффициенты равны весовым коэффициентам по соединенным с входами блока вычитания 12 двум входам блока суммирования 13.

Блок управления гетеродинами БУГ 19 (см. фиг. 2) содержит первый, второй, третий сумматоры 22-24, вычитатель 25, источник постоянного напряжения 26, усилитель 27 напряжения верхней границы девиации частоты, усилитель 28 напряжения нижней границы девиации частоты, первый, второй блоки управления 29, 30.

Генератор модилирующей частоты ГМЧ 16 (см. фиг. 3) содержит задающий генератор 31 напряжения прямоугольной формы, усилитель напряжения задающего генератора 32, ограничитель 33 напряжения снизу, ограничитель 34 напряжения сверху, усилитель напряжения 35.

Выход усилителя напряжения 35 является первым выходом ГМЧ 16. Опорный выход задающего генератора 31 напряжения прямоугольной формы являетяс вторым выходом ГМЧ 16. Первый выход ГМЧ 16 подключен к входу первого гетеродина 5, а второй выход соединен с входом синхронных детекторов 14, 15.

Выходы усилителей 27, 28 являются первым и в торым выходами БУГ 19 и подключены соответственно к опорным входам ограничителей 33, 34, являющихся первым и вторым входами ГМЧ 16.

Первые входы первого, второго, третьего сумматора 22, 23, 24 и вычитателя 25 являются входом БУГ 19, который подключен к выходу УПТ 18.

Выходы первого, второго блоков управления 29, 30 являются третьим и четвертым выходами БУГ 19 и подключены соответственно к второму и третьему гетеродинам 20, 21.

Радиоспектрометр с частотной модуляцией работает следующим образом.

Частотная модуляция сигнала на входе усилителя промежуточной частоты 4 осуществляется путем модуляции частоты f_г1 первого гетеродина 15 по закону "меандра". При этом
f= f₀± (1) где f_о несущая частота;
ΔF девиация частоты.

Поскольку настройка радиометра при изменении f_о не должна изменяться, возникает необходимость в соответствующем изменении частот f_г2 и f_г3 второго 20 и третьего 21 гетеродинов при сохранении равенств
l f_г2-f_г3 l ΔF
(f_г2 + f_г3)/2 fопр

+ Δ f_о f_пр1 (2) где Δf_о смещение частоты первого гетеродина 5;
fопр1 первая промежуточная частота, равная центральной частоте УПЧ.

Несущая частота f_о в формуле (1) задается уровнем среднего значения U_о от управляющих напряжений U₁(t) и U₂(t) на первом и втором входах генератора модулирующей частоты (ГМЧ) 16.

f₀= f₀(U₀) f
(3)
Девиация частоты ΔF зависит от разности управляющих напряжений U₁(t) и U₂(t).

ΔF Δ F (U₁-U₂) (4)
Избирательность спектрорадиометра определяется первым 8 и вторым 9 настроенными на промежуточную частоту f_пр2 (см. фиг. 4) полосовыми фильтрами 8 и 9 с полосовой пропускания П_а. Частотный диапазон, в пределах которого возможна перестройка избирательной полосы (полосы анализа) П_а, зависит от полосы пропускания П УПЧ 4. Управляя величиной ΔF и связанными с ней частотами f_г2 и f _г3 гетеродинов 20 и 21, можно перемещать полосу анализа П_а. Если обратиться к фиг. 4, то такое перемещение П_а есть следствие сближения или разъединения областей 1 и 2, выделяемых идентичными амплитудно-частотными характеристиками (АХЧ) полосовых фильтров 8 и 9 на выходах первого и второго однополосных смесителей 6, 7. Важно то, что области 1 и 2 расположены симметрично относительно первой промежуточной частоты f_пр1 и их центральные частоты f₁ и f₂ отстоят от f_пр1 на величину равную ΔF/2.

Изменения частоты первого гетеродина f_г1 ведут к изменению условий интерференции отраженных от неоднородностей тракта волн и вследствие этого к непредсказуемым вариациям уровня сигнала на выходе УПЧ. Особенно это ощутимо в миллиметровом диапазоне волн, где к тому же могут иметь значение такие внешние факторы, как температура, влажность, механические воздействия, приводящие к изменениям электрической длины тракта. Кроме того, в миллиметровом диапазоне полоса приема П может составлять гигагерц, и для реализации радиометра с частотной модуляцией необходимы значения девиации частоты ΔF ≥П.

Влияние несогласованности тракта существенно, если изменение частоты первого гетеродина 5 сопровождается дополнительным набегом фазы ΔΦ сравнимым или большим π/2. При электрической длине тракта l и девиации частоты ΔF.

ΔΦ 2f_o+ -2f_o- (с скорость света). Отсюда следует, что для характерного значения ΔF/f₀≃ 0,01(f₀~(50 100)ГГц)ΔΦ ≳ π/2 при геометрической длине волноводного тракта
L ≃ l ≳ 12,5f₀c 12,5λ где λ длина волны.

Возникающие при частотной модуляции погрешности можно исключить, если, не изменяя настройки радиоспектрометра, сместить несущую частоту f_о первого гетеродина 5 в ту область, где интерференционные эффекты меньше всего проявлены или вызывают одинаковые приращения мощности сигнала ΔР_с1 и ΔР_с2 на входах полосовых фильтров 8 и 9. В последнем случае на выходе блока вычитания 12 приращения ΔР_с1 и ΔР_с2 будут скомпенсированы и на выходе первого синхронного детектора 14 будет напряжение, определяемое только разностью мощностей сигналов на выходах полосовых фильтров 8, 9, равной разности мощностей измеряемого сигнала и фонового излучения вне полосы анализа П_а.

Выравниванию интерференционных эффектов на выходах полосовых фильтров 8 и 9 способствует следящая система (СС), составленная из блока суммирования 13, второго синхронного детектора 15, усилителя постоянного тока (УПТ) 18 с объектом регулирования в виде первого, второго и третьего гетеродинов 5, 2, 21, управляемых посредством блока управления гетеродинами (БУГ) 19. В систему управления первым гетеродином 5 входят также отдельные компоненты генератора модулирующей частоты 16.

Режиму слежения всегда предшествует режим поиска частоты f_о f_оо, при которой обусловленные частотной модуляцией приращения мощностей сигналов на выходах полосовых фильтров 8 и 9 одинаковы, но становятся различными в случае отстройки от нее на величину δf_о:
ΔР_с1(f_ов) ΔР_с2(f_он) (5)
ΔР_с1(f_ов + δf_о) ΔР_с1(f_ов) ( ΔР_с2(f_он + +δf_о) ΔР_с2(f_он)) -(Δ Р_с1(f_ов- δf_о) -ΔР_c1(f_ов) (6) или
ΔР_с1(f_он) ΔР_с2(f_ов) (7)
ΔР_с1(f_он +δ f_о) Δ Р_с1(f_он) ( ΔР_с2(f_ов + +δf_о) Р_с2(f_ов)) ( ΔР_с1(f_он
δf_о ) ΔР_с1 (f_он)), (8) где f_ов= f_oo+ и f_он= f_oo- соответственно верхнее и нижнее значения частоты f_о.

Выполнение одного из соотношений (6) или (8) позволяет второму синхронному детектору 15 играть роль дискриминатора следящей системы (СС). Поскольку второй СД 15 в своем составе имеет фильтр нижних частот (интегратор) с достаточно большой временной постоянной, при которой объект регулирования можно считать безынерционным, то СС является следящей системой с астатизмом первого порядка. Равенство (5) или (7) (в зависимости от выбранной полосы захвата) фиксируется по смене знака показаний на регистраторе 17 при отсутствии сигнала на входе усилителя высокой частоты 2.

Режим поиска осуществляется путем смещения уровня выхода УПТ 18, приводящего к плавному в соответствии с формулой (3) изменению частоты f_о и связанных с ней частот f_г2 и f_г3 второго и третьего гетеродинов 20 и 21. Фаза задающего генератора 31 в ГМЧ 16 (0 или π ) зависит от того, какие из двух соотношений (5) и (6) или (7) и (8) выполнены, и подбирается так, чтобы при входе в режим слежения обеспечивалось отслеживание изменений выбранной частоты f_оо, т. е. чтобы второй СД 15 играл роль дискриминатора ошибки слежения f_о f_оо. В процессе измерения, когда на усилитель высокой частоты 2 подается сигнал с антенны 1, СС находится в режиме слежения.

Избирательность радиоспектрометра по основному каналу определяется полосой пропускания П_а (см. фиг. 4) идентичных полосовых фильтров 8 и 9, включенных после соответствующих однополосных смесителей 6 и 7. Принимаемый в полосе анализа П_а сигнал в зависимости от значения мгновенной частоты f_г1 первого гетеродина 5 поочередно проходит то через первый, то через второй полосовые фильтры 8. 9. При этом полоса пропускания УПЧ 4 в несколько раз превышает полосу анализа П_а (П > П_а), что сделано с целью повышения точности анализа спектрального состава исследуемого излучения путем введения в радиоспектрометр элементов последовательного спектрального анализа, реализуемого посредством изменения девиации частоты ΔF и одновременного с ним изменения частот второго и третьего гетеродинов 20, 21 при сохранении соотношений (1). Отношение П/П_а зависит от требуемой точности анализа. Изменение девиации частоты ΔF в соответствии с выражениями (3) и (4) происходит под действием напряжения U₁U_o + U_Δ на выходе первого сумматора 22 блока блока управления гетеродинами 19 (см. фиг. 2) и напряжения U₂ U_o U_Δна выходе вычитателя 25 (U_Δ напряжение источника опорного напряжения 26, подаваемое на вторые первого сумматора 22 и вычитателя 25).

Напряжения U₁ и U₂ с выходов первого сумматора 22 и вычитателя 25 поступают соответственно на входы усилителей напряжения 27, 28 ΔF первого гетеродина 5 и далее после необходимого преобразования по уровню на опорные входы ограничителя 33 напряжения снизу и ограничителя 34 напряжения сверху в ГМЧ 16 (см. фиг. 3). На (сигнальные) первые входы ограничителей 33 и 34 поступает с усилителя напряжения задающего генератора 32 напряжения типа "меандр" задающего генератора 31 напряжения прямоугольной формы.

Таким образом, на выходе ограничителя 34 напряжения сверху будет напряжение, верхний уровень которого определяет верхнее значение мгновенной частоты f_г1, а нижний ее нижнее значение. Такое соответствие устанавливается подбором величины U_Δ напряжения источника опорного напряжения 26, коэффициентов передачи 27 и 28, а также коэффициента усиления и амплитудной характеристики усилителя напряжения 35 в БУГ 19. Конкретный вид амплитудной характеристики усилителя напряжения 35 зависит от типа используемого в качестве первого гетеродина 5 генератора и способа его перестройки.

Напряжение с выходов первого сумматора 22 и вычитателя 25 в БУГ 19 подаются также на вторые входы соответственно второго и третьего сумматоров 23, 24, на соединенные вместе первые входы которых поступает напряжение регулирования с выхода УПТ 18. Далее напряжение U₃ U_o + +U_Δ+ αU_о с выхода второго сумматора 23 и напряжение U₄ U_o U_Δ + βUо с выхода третьего сумматора 24, преобразованные в блоках управления 29 и 30, подаются соответственно на управляющие входы второго и третьего гетеродинов 20, 21. Весовые коэффициенты α и β по первым входам сумматоров 23 и 24, а также коэффициенты усиления и форма амплитудных характеристик блоков управления 29, 30 подбираются так, чтобы выполнялись соотношения (2). Перемещение полосы анализа Па (перестройка по частоте) возможно в пределах от
f= f_c+ до
f= f_c+ f где f_с f_о + f_пр или f_с f_о f_пр1 (f_пр1f_o-f) в зависимости от вида преобразования с f_пр1 f_с f_о или f_пр1 f_о f_с;
Δf_о смещение несущей частоты перевого гетеродина 5, отработанное системой слежения за равенством выходных напряжений на выходах синхронных детекторов 14, 15. Поэтому полоса пропускания УПЧ 4 должна выбираться с учетом не только спектральной ширины исследуемой области принимаемого излучения, но и возможных значений l Δf_о l что приводит в результате к увеличению П. Изменение частоты настройки радиоспектрометра происходит под управлением источника опорного напряжения 26, имеющего для этого необходимые установочные элементы.

Напряжение с выходов полосовых фильтров 8, 9 детектируются квадратичными детекторами 10, 11, сигналы с выходов которых поступают на блок вычитания 12. Разностный сигнал с выхода блока вычитания 12 синхронно детектируется в первом СД 14, напряжение на выходе которого соответствует измеряемой в полосе П_а мощности входного сигнала, что и фиксируется регистратором 17.

В качестве первого гетеродина 5 можно использовать лампу обратной волны (ЛОВ), имеющую возможность перестройки с практически линейной зависимостью частоты генерации от напряжения на замедляющей системе. Поскольку управляющее напряжение в ЛОВ составляет несколько сотен вольт, то отсюда возникают соответствующие требования к усилителю напряжения 35, с выхода которого подается управляющее напряжение на ЛОВ. Усилитель напряжения 35 выполняется в виде усилительного каскада с амплитудной характеристикой, обеспечивающей заданную зависимость (3).

В качестве второго и третьего гетеродинов 20, 21 используются известные транзисторные генераторы с перестройкой частоты с помощью нелинейной емкости (варактора) или индуктивности. В последнем случае используется зависимость магнитной проницаемости примененного в нелинейной индуктивности ферромагнитного материала от управляющего тока.

Блок суммирования 13, блок вычитания 12, а также сумматоры 22, 23 и 24 и вычитатель 25 выполняются на операционных усилителях. На операционных усилителях выполняются также усилители 27 и 28 напряжения, первого гетеродина 5 и блоки управления 29, 30. Амплитудная характеристика блоков управления 29, 30 формируется путем использования нелинейных элементов в цепи отрицательной обратной связи с соответствующей соотношению (3) вольт-амперной (или ампер-вольтной) характеристикой. Для реализации однополосных смесителей 6, 7 используется схема с фазовым подавлением зеркального канала.

Эффективность устранения влияния несогласованности высокочастотного тракта можно оценить, сравнивая ширину шумовой дорожки на выходе первого СД 14 при наличии СС и без нее. При отсутствии СС (блоков СД 15 и УПТ 18) изменение частоты первого гетеродина 5 от f_o- до f_o+ вызывает изменение амплитуды напряжения на гетеродинном входе смесителя 3 от U_г1- до U_г1+ и соответствующее изменение выходного напряжения первого СД 14 от
U_вых-= χ K_p(-) до U_вых+= χ K_p(-) где χ коэффициент пропорциональности;
U_о номинальное напряжение первого гетеродина 5, приложенное к смесителю 3;
Кр коэффициент усиления входной разности между средней мощностью сигнала в полосе анализа П_а и фонового излучения в той же полосе П_а, но в области, расположенной за пределами полосы анализа и отстоящей от нее на частотный интервал ΔF. Таким образом, на выходной сигнал U_вых(t) первого СД 14 накладывается мультипликативное мешающее воздействие и
U_вых(t) (t)
При отсутствии рассогласованной в высокочастотном тракте U_вых(t) соответствует полезной составляющей:
K_p(-) соnst, если входной сигнал стационарен. Рассогласование тракта ведет к наложению на полезную составляющую мультипликативного воздействия в форме множителя μ_ош(t) 1+ U2г1-

(t)-U2г1+(t) (9) где U_г1-(t) и U_г1+(t) медленные функции времени с характерным временным масштабом, превышающим постоянную времени первого СД 14 и второго СД 15.

Заметим, что: (t)-1 ≲ (KCB)² КCВ Е_max/Е_min максимальный из коэффициентов стоячей волны на частотах f_г1f_о±ΔF/2, а Е_max и Е_min соответствующие этим значениям f_г1 максимальная и минимальная амплитуды электрического поля в тракте первого гетеродина 5, U_min минимально возможные (соответствующее Е_min) напряжение на гетеродинном входе смесителя 3.

Выражение (9) дает меру отклонения измеренного значения относительной мощности сигнала от истинного значения . Выигрыш Q за счет подавления эффектов рассогласования тракта гетеродина с помощью СС определяется модулем разности μ_ош(t)-1:
Q
Поскольку СС является следящей системой с астатизмом первого порядка и постоянные времени первого СД 14 и второго СД 13 одинаковы, то динамическая ошибка слежения отсутствует, если отслеживаемая частота f_ооменяется по линейному закону и величина Q может быть достаточно большой, поскольку CC стремится выполнять значения U_г1+и U_г1-. Максимальное значение Q ограничивается флуктуационной ошибкой в СС. Таким образом, радиоспектрометр позволяет существенно повысить точность радиометрических измерений за счет устранения интерференционных эффектов в тракте первого гетеродина 5. Внешне это проявляется в устранении медленных вариаций шумовой дорожки на регистраторе 17.

Использование: радиоизмерительная техника. Сущность изобретения: радиоспектрометр с частотной модуляцией содержит антенну 1, усилитель высокой частоты 2, смеситель 3, усилитель промежуточной частоты 4, первый, второй, третий гетеродины 5, 20, 21, первый, второй однополосные смесители 6, 7, первый, второй полосовые фильтры 8, 9, первый, второй квадратичные детекторы 10, 11, блок вычитания 12, блок суммирования 13, первый, второй синхронные детекторы /СД/ 14, 15, генератор модулирующей частоты /ГМЧ/ 16, регистратор 17, усилитель постоянного тока 18, блок управления гетеродинами /БУГ/ 19. ГМЧ 16 содержит задающий генератор напряжения прямоугольной формы, опорный выход которого является вторым выходом ГМЧ 16 и подключен к вторым входам СД 14, 15, усилитель напряжения задающего генератора, ограничитель напряжения снизу, ограничитель напряжения сверху, усилитель напряжения, выход которого является первым выходом ГМЧ 16. БУГ 19 содержит три сумматора и вычитатель, объединенные первые входы которых являются входом БУГ 19, источник постоянного напряжения, усилители напряжения верхней и нижней границ девиации частоты, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами БУГ 19 и подключены к опорным выходам ограничителей, первый, второй блок управления, выходы которых являются соответственно третьим и четвертым выходами БУГ 19. 4 ил.

Радиоспектрометр с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные антенну, усилитель высокой частоты, смеситель с подключенным к нему первым гетеродином, усилитель промежуточной частоты, последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый квадратичный детектор и второй полосовой фильтр, второй квадратичный детектор, последовательно соединенные первый синхронный детектор, регистратор, выходы первого и второго квадратичных детекторов подключены к входам блока вычитания, выход которого подключен к первому входу первого синхронного детектора, вход первого гетеродина соединен с первым выходом генератора модулирующей частоты, второй вход которого подключен к второму входу первого синхронного детектора, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные второй гетеродин, первый однополосный смеситель и третий гетеродин, второй однополосный смеситель, последовательно соединенные блок суммирования, входы которого соединены с выходами первого и второго квадратичных детекторов, второй синхронный детектор, подключенный к второму выходу генератора модулирующей частоты, усилитель постоянного тока, блок управления гетеродинами, первый четвертый выходы которого подключены соответственно к входам первому и второму генератора модулирующей частоты, второго и третьего гетеродинов, блок управления гетеродинами содержит первый, второй и третий сумматоры и вычитатель, первые входы которых являются входом блока управления гетеродинами, источник постоянного напряжения, выход которого подключен к воторому входу первого сумматора и второму входу вычитателя, усилитель напряжения верхней границы девиации частоты первого гетеродина и усилитель напряжения нижней границы девиации частоты первого гетеродина, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока управления гетеродинами, а входы подключены соответственно к первым выходам первого сумматора и вычитателя, первый и второй блоки управления, входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, а выходы являются соответственно третьим и четвертым выходами блока управления гетеродинами, вторые входы второго и третьего сумматоров подключены соответственно к первым выходам, первого сумматора и вычитателя, генератор модулирующей частоты содержит задающий генератор напряжения прямоугольной формы, выход опорного напряжения которого является вторым выходом генератора модулирующей частоты и подключен к вторым входам первого и второго синхронных детекторов, а управляющий выход к последовательно соединенным усилителю напряжения задающего генератора, ограничителю напряжения, выход которого является первым выходом генератора модулирующей частоты, опорные входы ограничителя напряжения сверху и ограничителя напряжения снизу являются соответственно первым и вторым входом генератора модулирующей частоты.