СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАДИОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к пассивной радиолокации и может использоваться для измерения мощности шумовых сигналов в широком диапазоне высоких частот.

Известен радиометр (W.N. Hardy, K.W.Gray and A.W.Love // IEEE MTT-22, N 4, 1974, p.p. 382-391), состоящий из (фиг. 1) модулятора 5, осуществляющего в зависимости от управляющего сигнала опорного генератора 11 коммутацию на вход приемника 6 или согласованной нагрузки 12 или антенны 13, подключенной к модулятору через направленный ответвитель 1. На второй вход этого ответвителя через аттенюатор 2 и свч-ключ 3, управляемый формирователем импульсов 10, поступает сигнал генератора шума 4. Радиометр также содержит последовательно соединенные синхронный детектор 7, интегратор 8, преобразователь "напряжение - частота" 9. Входное устройство радиометра (модулятор 5, направленный ответвитель 1, аттенюатор 2, управляемый свч-ключ 3, генератор шума 4, согласованная нагрузка 12) находятся в термостате 14. Выходной сигнал интегратора поступает на выход радиометра (шина 15).

В радиометре ввод сигнала генератора шума в антенный тракт осуществляется импульсами длительностью 40 мкС, частота повторения которых зависит от выходной частоты преобразователя "напряжение - частота". В синхронном детекторе происходит выделение постоянного уровня напряжения из огибающей модулированных во входном устройстве радиометра сигналов согласованной нагрузки и смеси сигналов антенны и генератора шума. При работе данного радиометра выполняется условие нулевого приема - выходной сигнал не зависит от коэффициента усиления приемника и, следовательно, его медленные флуктуации (меньше частоты модуляции в радиометре) не влияют на точность измерений.

Так как модулированная последовательность сигналов представляет из себя сложную, изменяемую во времени импульсную последовательность (на сигнал антенны накладываются короткие импульсы сигнала генератора шума), то применение для ее преобразования таких классических операций как синхронное детектирование и интегрирование приводит к неизбежным погрешностям. Это относится к недостатку описанного радиометра-аналога.

Известен сверхвысокочастотный нулевой радиометр (Филатов А.В., Бордонский Г. С. // Нулевой радиометр. Патент РФ N 1704107, G 01 R 29/08, G 01 S 13/95 - прототип), структурная схема которого изображена на фиг. 2, содержащий последовательно соединенные антенну 13, направленный ответвитель 1, модулятор 5, приемник 6, импульсный низкочастотный усилитель 7, фильтр высокой частоты 8, синхронный фильтр 9, компаратор (нуль-орган) 10, блок управления 11, на выходе которого формируется цифровой код измеряемого сигнала. Цепь автоматического ввода образцового шумового сигнала генератора шума 3 в направленный ответвитель 1 начинается с первого выхода блока управления 11. Импульсный сигнал с этого выхода включает источник постоянного тока 4. При отсутствии этого сигнала источник не вырабатывает ток. Управляемый источник тока 4 питает генератор шума, выходная мощность которого через аттенюатор 2 поступает в направленный ответвитель 11. Шумовой сигнал, вырабатываемый генератором шума, для данного радиометра является первым опорным сигналом. Второй опорный шумовой сигнал вырабатывается согласованной нагрузкой 12, находящейся при температуре термостатированной плиты 14. Для повышения стабильности всего радиометра на этой же плате установлены модулятор, направленный ответвитель, аттенюатор, генератор шума, управляемый источник тока.

Преимущества данного радиометра состоят в том, что обработка огибающей сигналов модуляции на выходе приемника (по низкой частоте) заключается только в исключении постоянной составляющей напряжения фильтром высокой частоты. После этой операции происходит анализ знака напряжения на входе компаратора в тот момент времени, когда к входу приемника подключена согласованная нагрузка. Так как в низкочастотной части радиометра нет преобразований модулированных сигналов (преобразования формы сигналов) с целью выделения информативного уровня напряжения, то и погрешности, связанные с этими преобразованиями, отсутствуют. В этом радиометре, как и в радиометре, который является аналогом, выполняется принцип нулевых измерений, нечувствительность к изменениям коэффициента передачи всего измерительного тракта радиометра.

Описанный радиометр, выбранный в качестве прототипа, измеряет сигналы, шумовая температура которых не превышает шумовую температуру опорной согласованной нагрузки 12. Как правило, в радиометрах температуры термостатирования выбираются в пределах 310-320К (37-47 град. Цельсия), что не на много больше температуры рабочей среды прибора. Такой верхний предел измеряемых сигналов достаточен при исследовании дистанционными методами таких природных объектов, как льды, грунты. Однако во многих случаях приходится измерять сигналы, которые имеют высокую эффективную шумовую температуру. Это характерно, например, при наблюдениях за радиояркостной температурой Солнца или в металлургической промышленности при измерении температуры расплавленного металла в помещениях повышенной задымленности.

Разработка предлагаемого изобретения позволяет расширить возможности измерения радиометром сигналов с высокой эффективной шумовой температурой.

Для этого в нулевом сверхвысокочастотном радиометре, содержащем антенну, согласованную нагрузку, последовательно соединенные модулятор, приемник, импульсный усилитель, фильтр высокой частоты, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, управляемый источник тока, генератор шума, аттенюатор, направленный ответвитель, причем управляемый источник тока, генератор шума, аттенюатор, направленный ответвитель, согласованная нагрузка и модулятор установлены на термостатированной плате и находятся в тепловом с ней контакте, второй вход компаратора подключен к общему проводу, выход направленного ответвителя соединен с первым входом модулятора, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу синхронного фильтра, а четвертый выход блока управления является выходом радиометра, для достижения намеченного технического результата сделаны изменения, а именно: выход согласованной нагрузки подключается к второму входу направленного ответвителя, а антенна соединяется с вторым входом модулятора.

На фиг. 1 представлена структурная схема радиометра-аналога, в котором процесс измерения заключается во введении в тракт антенны постоянного по мощности шумового сигнала, который дополнительно модулируется свч-ключом.

На фиг. 2 приведена структурная схема радиометра-прототипа.

На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого сверхвысокочастотного радиометра.

На фиг. 4а представлен один полный период модуляции сигналов, когда не достигнут нулевой баланс. Регистрация временной диаграммы выполнена на входе компаратора.

На фиг. 4б представлен один период модуляции сигналов, когда нулевой баланс в радиометре достигнут.

На фиг. 5 показана структурная схема блока управления радиометром. Эта схема одинакова как для прототипа, так и для предлагаемого радиометра.

Согласно структурной схемы, изображенной на фиг. 3, радиометр состоит из модулятора 5, приемника 6, направленного ответвителя 1, аттенюатора 2, генератора шума 3, управляемого источника тока 4, блока управления 11, импульсного усилителя 7, усиливающего выделенную в приемнике огибающую модулированных сигналов, фильтра высокой частоты 8, синхронного фильтра 9, компаратора 10, согласованной нагрузки 12, антенны 13, термостатированной платы 14, выходной цифровой шины 15.

Принцип работы радиометра заключается в следующем. По сигналу со второго выхода блока управления модулятор 5 осуществляет прямоугольную, симметричную модуляцию сигналов согласованной нагрузки 12 и антенны 13. При этом в первой половине периода модуляции на вход приемника подается через направленный ответвитель сигнал от согласованной нагрузки, а во второй половине периода на вход приемника поступает сигнал непосредственно от антенны. На временной диаграмме фиг. 4а представлен один полный период модуляции сигналов, осуществляемой во входном устройстве радиометра. Регистрация этой диаграммы выполняется на первом входе компаратора 10, когда сигналы усилены в приемнике по высокой частоте и выделена квадратичным детектором приемника огибающая. В первом полупериоде к сигналу согласованной нагрузки на время t_шис, меньшее длительности половины периода модуляции t_м, то есть t_шис<t_м, добавляется сигнал генератора шума, который проходит на вход модулятора через фиксированный аттенюатор 2 и первый вход направленного ответвителя 1. Генератор шума на этот интервал времени питается от управляемого источника тока 4, включение которого происходит по сигналу с первого выхода блока управления 11. При отсутствии сигнала с выхода 1 блока управления источник тока выключен, не вырабатывает ток и поэтому выходной сигнал генератора шума равен нулю. Таким образом, во входном блоке радиометра происходит дополнительная модуляция сигнала генератора шума, осуществляемая источником тока.

После прохождения модулированной последовательности сигналов фильтра высокой частоты 8, в этой последовательности импульсов исключается постоянная составляющая напряжения. Таким образом, на входе компаратора для одного периода модуляции, изображенном на фиг. 4 а, при некоторой произвольной длительности t_шис= t_шис,1 будет выполняться равенство вольт-секундных площадей положительного S₂ и отрицательных S₁, S₂ импульсов, то есть S₁+S₃=S₂. Отсюда следует, что при неизменном входном сигнале антенны T_а и изменении длительности t_шис в пределах от t_м до нуля периодическая последовательность сигналов модуляции на входе компаратора будет сдвигаться относительно нулевой оси времени снизу вверх. Условием достигнутого нулевого баланса в измерительном тракте радиометра при приеме сигнала антенны T_а является такая длительность t_шис=t_шис,2, когда во второй половине периода модуляции (выполнена на вход приемника коммутация антенны) напряжение на входе компаратора будет равным нулю, то есть импульс S₃ будет отсутствовать. Временная диаграмма, соответствующая этому случаю, изображена на фиг. 4б. Действительно, так как напряжение во втором полупериоде модуляции равно нулю, то для одного периода будет выполняться равенство вольт-секундных площадей положительного S₂ и отрицательного S₁ импульсов, то есть S₂=S₁ или
Gkdf(T_СН+T_НО-T_а)t_шис,2= Gkdf(T_а-T_СН)(t_м-t_шис,2),
где G - коэффициент передачи всего измерительного тракта радиометра от выхода модулятора до входа компаратора, k - постоянная Больцмана, df - полоса принимаемых частот, T_НО - сигнал генератора шума, поступающий на первый вход модулятора через фиксированный аттенюатор и направленный ответвитель, T_СН - сигнал согласованной нагрузки, эквивалентный температуре термостатированной платы. Сигналы T_СН и T_НО являются в радиометре образцовыми.

Решая равенство относительно t_шис,2, получим t_шис,2 = (T_а-T_СН)t_м/T_СН, (1)
в которое не входит коэффициент передачи G радиометра. Следовательно, его дрейф и медленные флуктуации, спектральная плотность которых меньше частоты модуляции, не влияют на точность измерений, что характерно для радиометров, работающих в режиме нулевых измерений.

Как следует из формулы (1), длительность t_шис,2 линейно и прямопропорционально связана с сигналом антенны T_а и при изменении сигнала антенны от T_СН до T_СН+T_НО эта длительность последовательно изменяется от нуля до t_м.

Блок управления преобразовывает длительность t_шис в цифровой код, который поступает на выходную шину радиометра 15. Работа блока управления заключается в постоянном слежении за полярностью напряжения на входе компаратора. Для этого БУ в каждый второй полупериод модуляции анализирует сигнал с выхода компаратора и направленно изменяет в сторону увеличения или уменьшения длительность t_шис в следующий первый полупериод модуляции, тем самым поддерживая в контуре автоматического регулирования нулевой баланс.

В конкретном примере выполненного радиометра модулятор входного узла изготовлен на отрезках несимметричной микрополосковой линии. Расчет выполнен по методике, предложенной в [Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.Н. и др. Под ред. Фельдштейна А.А. Справочник по элементам полосковой техники. М. : Связь. 1979]. Модулятор имеет конфигурацию 2х1 и выполнен подобно [Веселов Г.И., Егоров Е.Н., Алехин Ю.Н. и др. Под ред. Веселова Г.И. Микроэлектронные устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988. С. 79; Ворсин Н.И., Милицкий Ю.А., Шаинский В.М., Эткин B.C. Измерительные СВЧ-радиометры с цифровым выходом // Приборы и техника эксперимента. 1988. N2. С.103-106]. Коммутация осуществляется с использованием p-i-n диодов. Схема их включения в линию комбинированная.

Независимым блоком в радиометре является СВЧ-приемник, в котором осуществляется линейное усиление сигналов. Возможно применение супергетеродинных приемников, приемников прямого усиления. Использование того или иного приемника определяется длинами волн и полосой принимаемых сигналов. В конкретном примере приемник радиометра выполнен по схеме прямого усиления и включает в себя шесть последовательно соединенных узлов: ферритовый малогабаритный вентиль, первый СВЧ-усилитель, второй вентиль, полосовой фильтр, второй СВЧ-усилитель, квадратичный детектор. Усилители транзисторные и имеют приведенную к входу эквивалентную шумовую температуру не более 75 К при коэффициенте усиления мощности не менее 28 дБ. Полоснопропускающий фильтр выполнен на встречных стержнях. Фильтр имеет полосу пропускания 200 мГц на уровне 3 дБ. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в этой полосе составляет 0.15 дБ и затухание 0.3 дБ. Квадратичный детектор выполнен на диоде Шоттки с балочными выводами [Гусятинер М.С., Горбачев А.И. Полупроводниковые сверхвысокочастотные диоды. М.: Радио и связь. 1983].

Между схемой исключения постоянной составляющей и компаратором установлен синхронный фильтр. Он выполнен по известным схемам [Фрейтер. Синхронный интегратор и демодулятор //. Приборы для научных исследований. 1965. Т. 36. N 5. С. 53-57; Ипатов А.В., Берлин А.Б. Низкочастотное выходное устройство радиоастрономического приемника с синхронным интегратором // Изв. Вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16. N 5. С. 712-715] и в данном случае включает в себя три коммутируемых конденсатора и три электронных ключа по числу импульсов в одном периоде модуляционной последовательности сигналов. Синхронный фильтр имеет постоянную времени τ =0.3 мсек и выполняет вспомогательную функцию: уменьшает и сглаживает высокочастотную составляющую шумового сигнала (выше частоты модуляции) и тем самым позволяет исключить временную динамическую перегрузку компаратора. При действии на устройство коротких всплесков импульсной помехи, длительность которых меньше периода модуляции, синхронный фильтр также выполняет интегрирование этих импульсов.

Блок управления аналогичен блоку управления радиометра-прототипа (на фиг. 5 показана его структурная схема). Он состоит полностью из цифровых элементов и включает в себя двоичный реверсивный 16 и двоичный 17 счетчики, цифровой компаратор 18, генератор импульсов 19, триггер формирования широтно-импульсного сигнала 20 и триггер управления модулятором 21, дешифратор 22, выходные усилители мощности 23, 24 и 25, с выходов (1, 2, 3) которых происходит управление источником тока, модулятором, синхронным фильтром соответственно. Выход 4 блока управления непосредственно является выходом радиометра. Разрядности реверсивного двоичного и двоичного счетчиков равны и определяют разрядность выходной шины радиометра. Двоичный счетчик, работая непрерывно, осуществляет прямую развертку цифрового двоичного кода от поступающих на его вход счета импульсов генератора. В момент переполнения на первом выходе счетчика возникает импульс, меняющий состояние триггера модуляции 21 на обратное. Таким образом, осуществляется формирование равных по длительности полупериодов подключения на вход приемника антенны и согласованной нагрузки. В момент равенства кодов двоичного и двоичного реверсивного счетчиков цифровой компаратор вырабатывает сигнал, устанавливающий триггер широтно-импульсного сигнала 20 в единицу (по входу 1). Это происходит только в первом полупериоде модуляции (подключена согласованная нагрузка к входу приемника), так как во втором полупериоде он удерживается в сброшенном состоянии по второму входу (вход сброса триггера), который имеет более высокий приоритет, чем вход установки. При включенном триггере 20 через усилитель мощности 23 включается управляемый источник тока во входном узле радиометра и эталонный сигнал генератора шума поступает через направленный ответвитель на вход модулятора вместе с сигналом согласованной нагрузки. В следующем полупериоде модуляции триггер широтно-импульсного сигнала сбрасывается по сигналу со второго (инверсного) выхода триггера модуляции 21 и тем самым происходит выключение управляемого источника тока и вместе с тем генератора шума. К входу приемника модулятор подключает антенну.

В конце каждого второго полупериода модуляции изменяется содержимое реверсивного счетчика. Это происходит перепадом сигнала с первого (прямого) выхода триггера 21. Содержимое реверсивного счетчика уменьшается (увеличивается) на один младший разряд в зависимости от сигнала на другом (втором) входе счетчика, определяющим направление счета. На этот вход поступает сигнал непосредственно с выхода компаратора измерительного тракта радиометра, который является логическим. Изменение кода реверсивного счетчика вызовет в следующем периоде модуляции изменение длительности широтно-импульсного сигнала включения управляемого источника тока на одну младшую ступень.

Из описания принципа работы радиометра и его структуры следует, что этот радиометр в отличие от прототипа может измерять сигналы с высокой эффективной температурой. Верхний предел измеряемых сигналов определяется выходным сигналом применяемого генератора шума, которые для современных генераторов могут составлять десятки тысяч Кельвина. Настройка на верхнюю отметку шкалы измеряемых сигналов происходит с помощью регулировки аттенюатора, а также настройкой выходного тока источника тока. Нижний предел измеряемых сигналов равен сигналу согласованной нагрузки.

Изобретение выполнено при финансовой поддержке РФФИ, N проекта 00-05-64641a.

Использование: в пассивной радиолокации для измерения слабых шумовых сигналов в диапазоне сверхвысоких частот. Радиометр содержит антенну, согласованную нагрузку, последовательно соединенные модулятор, приемник, импульсный усилитель, фильтр высокой частоты, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, управляемый источник тока, генератор шума, аттенюатор, направленный ответвитель, причем управляемый источник тока, генератор шума, аттенюатор, направленный ответвитель, согласованная нагрузка и модулятор находятся на термостатированной плате и в тепловом с ней контакте, второй вход компаратора подключен к общему проводу, выход направленного ответвителя соединен с первым входом модулятора, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу синхронного фильтра, а четвертый выход блока управления является выходом радиометра, выход согласованной нагрузки подключается к второму входу направленного ответвителя, а антенна соединяется с вторым входом модулятора. Технический результат заключается в измерении мощности сигналов с высокой эффективной шумовой температурой. 5 ил.

Радиометр, содержащий антенну, согласованную нагрузку, последовательно соединенные модулятор, приемник, импульсный усилитель, фильтр высокой частоты, синхронный фильтр, компаратор, блок управления, управляемый источник тока, генератор шума, аттенюатор, направленный ответвитель, причем управляемый источник тока, генератор шума, аттенюатор, направленный ответвитель, согласованная нагрузка и модулятор установлены на термостатированной плате и находятся в тепловом с ней контакте, второй вход компаратора подключен к общему проводу, выход направленного ответвителя соединен с первым входом модулятора, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу синхронного фильтра, а четвертый выход блока управления является выходом радиометра, отличающийся тем, что в радиометре выход согласованной нагрузки подключается к второму входу направленного ответвителя, а антенна соединяется с вторым входом модулятора.