БИОДЕТЕКТОРНЫЙ ГЕТЕРОДИННЫЙ ПРИЕМНИК Российский патент 2002 года по МПК H03D9/00 

Изобретение предназначено для обнаружения, идентификации и контроля состояния биологических объектов по их естественному микроволновому излучению. Под биологическими объектами понимаются: люди, животные и крупные скопления микроорганизмов.

Изобретение относится к электричеству и может быть использовано для медицинской диагностики, в работе спецслужб и в военных целях.

Спецслужбами изобретение может быть использовано в качестве дистанционного подслушивающего устройства, настройка которого на подконтрольный биологический объект является идентификационным параметром. Дальность действия такого подслушивающего устройства в тысячи раз превосходит применяемые для этих же целей микрофонные устройства.

В военных целях изобретение может быть использовано для разведки противника и в качестве средства наведения артиллерийского или пулеметного огня. Способность проникать через дерево и камень делает естественное микроволновое излучение биологических объектов хорошей информационной субстанцией, позволяющей использовать ее в качестве радиомаячка, а применение биодетекторного гетеродинного приемника (БГП) позволяет судить о степени близости противника и точности попадания в него поражающих средств.

Единственным прототипом и аналогом БГП является приемник, состоящий из биодетектора, включенного в электрическую цепь стабилизированного питания через токозадающий балластный резистор [1]. Недостатком аналога является невозможность настроиться только на одну из мод плоскопараллельного резонатора, входящего в конструкцию биодетектора. Из-за этого полезный сигнал, соответствующий одной из мод, зашумляется сигналами помех, принимаемыми биодетектором на сопутствующих модах. Источниками помех при контроле конкретного биологического объекта являются: солнце, атмосферные и промышленные электрические разряды, а также посторонние биологические объекты, находящиеся в секторе контроля.

Задачу единственности принимаемого частотного канала решает БГП, совокупность структурных элементов которого позволяет максимально использовать возможности биодетектора.

Сущность изобретения: гетеродинный приемник микроволнового диапазона, содержащий биодетектор в качестве обнаружителя естественного микроволнового излучения биологических объектов. Одновременно с функцией обнаружителя биодетектор выполняет также и функцию выделителя промежуточной частоты, колебания на которой возбуждаются в его ионизированной газовой среде при помощи микроволнового гетеродина. Прерывисто-периодичный режим функционирования гетеродина позволяет путем частотной фильтрации выделить из выходного сигнала биодетектора полезную составляющую.

На Фиг.1 представлена структурная схема БГП. Входом БГП, куда поступает естественное микроволновое излучение биологических объектов, является волнозаборник (1), например металлический рупор, задающий сектор обзора при сканировании местности. Гетеродин (2) является источником периодически прерываемого микроволнового излучения со стабильными параметрами частоты и амплитуды. Металлическими трубообразными волноводами (3) и (4) волнозаборник (1) и гетеродин (2) связаны с входным окном биодетектора (5), причем волновод (3) является гибким для свободы пространственной ориентации волнозаборника (1). Клеммы биодетектора (5) включены в электрическую цепь стабилизированного питания E_п через резистор (6). Напряжение на клеммах биодетектора (5) является его выходным сигналом, проходящим преобразования сначала в узкополосном частотном фильтре (7) (УПЧФ), а затем в амплитудном выпрямителе-детекторе (8) (АВД).

Функционирует БГП следующим образом. Естественное микроволновое излучение от биологических объектов, поступающее в волнозаборник, и излучение гетеродина, пройдя через трубообразные волноводы, проникают внутрь биодетектора, плоскопараллельный резонатор которого усиливает из всех микроволн только те, которые соответствуют его модам. Ионизированная газовая среда (плазма) биодетектора является нелинейной резонансной средой, поглощающей электромагнитные волны на плазменной (ленгмюровской) частоте. Эта особенность позволяет использовать газообразную плазму в качестве выделителя и усилителя промежуточной частоты, колебания на которой возбуждаются в плазме биодетектора всякий раз, когда разница между частотой гетеродина и частотой принимаемого сигнала на одной из мод плоскопараллельного резонатора составляет величину, равную плазменной частоте. Таким образом, в межэлектродном пространстве биодетектора присутствует два типа колебаний ионов относительно направления своего равноускоренного движения - это колебания на модах плоскопараллельного резонатора и колебания на плазменной частоте. Оба типа колебаний уменьшают электропроводность биодотектора, но колебания на плазменной частоте возбуждаются при помощи гетеродина, а колебания на модах плоскопараллельного резонатора от гетеродина не зависят. Периодичное прерывание гетеродинного излучения приводит к аналогичному прерыванию процесса раскачивания колебаний на плазменной частоте, что в свою очередь приводит к скачкообразным изменениям электропроводности биодетектора и, как следствие, к скачкам напряжения на его клеммах. Узкополосный фильтр, настроенный на частоту прерывания гетеродинного излучения, отсеивает все остальные частоты из спектра выходного сигнала биодетектора, пропуская только сигнал полезной составляющей. Амплитудный выпрямитель-детектор избавляет этот сигнал от несущей частоты и сглаживает его.

Зависимости сигнальных параметров БГП от времени t, иллюстрирующие его работу, представлены на Фиг.2.:
1) - амплитуда излучения гетеродина с периодом прерывания T_пр, состоящим из двух полупериодов t_и и t_п, где t_и - время импульса, в течение которого гетеродин испускает излучение определенной микроволновой частоты, t_п - время паузы;
2) - амплитуда колебаний ионов в биодетекторе на частоте одной из мод плоскопараллельного резонатора, для наглядности представленная равномерно растущей;
3) - амплитуда колебаний ионов в биодотекторе на промежуточной (плазменной) частоте;
4) - напряжение на клеммах биодетектора, где U_o - напряжение покоя биодетектора, когда микроволновые сигналы, возмущающие его ионизированную газовую среду, отсутствуют, τ - время задержки, с которым ионизированная газовая среда изменяет свою проводимость;
5) - сигнал на выходе узкополосного фильтра (напряжение);
6) - сигнал на выходе амплитудного выпрямителя-детектора.

Конструктивные и параметрические особенности БГП:
1) Конструкция волнозаборника определяется из желаемых параметров дальности и направленности. Увеличение дальности приема может быть достигнуто путем увеличения площади поперечного сечения полнозаборника. Также способствует увеличению дальности фокусировка принимаемого микроволнового излучения, поскольку при этом уменьшается лишний шумовой фон. Фокусировка может осуществляться либо с помощью диэлектрических линз, устанавливаемых непосредственно перед рупором, либо применением вместо рупора параболической антенны, состоящей из рефлектора и дефлектора.

2) В качестве генерирующего элемента в гетеродине может быть использован диод Ганна, в этом случае из спектра его излучения, содержащего набор гармоник, путем фильтрации должна быть выделена одна из гармоник.

3) Поскольку в БГП отсутствует фильтрация зеркального канала и гетеродин может образовывать промежуточные частоты как с нижележащей, так и с вышележащей модой плоскопараллельного резонатора, то возможен вариант, когда БГП окажется настроенным на две моды сразу. Чтобы избавиться от помех по зеркальному каналу, нужно изменить набор сопутствующих мод передвижением штока биодетектора на расстояние, кратное половине длины принимаемой волны.

4) Частота прерывания гетеродинного излучения не должна превышать частоты быстродействия ионизированной газовой среды биодетектора, которую определяет время одного полного пробега иона между столкновениями с нейтральными молекулами газа:

где τ - время пробега иона между столкновениями;
m - масса иона;
d - расстояний между электродами-зеркалами биодетектора;
Z - размер нейтральной молекулы газа;
q - заряд элементарный;
U - напряжение на клеммах биодетектора;
N - концентрация нейтральных молекул газа в ионизированной газовой среде биодетектора.

Максимальная частота быстродействия биодетектора F_max составит:

где τ - время пробега иона между столкновениями.

5) На одном биодетекторе может быть реализован многоканальный вариант БГП, где каждому из каналов соответствует только одна из мод плоскопараллельного резонатора. Для этого количество гетеродинов, узкополосных фильтров и амплитудных выпрямителей-детекторов должно соответствовать количеству каналов, а полосы пропускания узкополосных фильтров не должны пересекаться друг с другом, при этом излучения гетеродинов не должны образовывать друг с другом промежуточных частот, равных плазменной частоте биодетектора.

Источник информации
1. Патент на изобретение Российской Федерации 2158983, Биодетектор, автор - Агеенко В.Л., Фиг.5.

Устройство предназначено для обнаружения, идентификации и контроля состояния биологических объектов по их естественному микроволновому излучению и может быть использовано для медицинской диагностики, в работе спецслужб и в военных целях. Техническим результатом является обеспечение единственности принимаемого частотного канала. Гетеродинный приемник микроволнового диапазона содержит биодетектор в качестве обнаружителя естественного микроволнового излучения биологических объектов. Одновременно с функцией обнаружителя биодетектор выполняет также и функцию выделителя промежуточной частоты, колебания на которой возбуждаются в его ионизированной газовой среде при помощи микроволнового гетеродина. Прерывисто-периодичный режим функционирования гетеродина позволяет путем частотной фильтрации выделить из выходного сигнала биодетектора полезную составляющую. 2 ил.

Биодетекторный гетеродинный приемник, содержащий биодетектор, клеммы которого включены в электрическую цепь стабилизированного питания через резистор, отличающийся наличием волнозаборника и источника прерывисто-периодичного микроволнового излучения, являющегося гетеродином, соединенных металлическими трубообразными волноводами с входным окном биодетектора, сигнал с клемм которого проходит преобразования сначала в узкополосном частотном фильтре, а затем в амплитудном выпрямителе-детекторе, причем узкополосный фильтр настроен на ту же частоту, с которой прерывается излучение гетеродина.