РАДИОТЕРМОМЕТР Российский патент 2021 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения характеристик электромагнитного поля и может быть использовано, например, в медицине, ветеринарии, неразрушающем контроле диэлектрических материалов.

Известен радиометр для исследования объектов, непосредственно прилегающих к антенне [Патент РФ № 2431856, МПК G01R29/08 (2006.01), опубл.20.10.2011], содержащий антенну, соединенную с первым входом компаратора через последовательно соединенные модулятор, первый и второй направленные ответвители, приемник, синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот. Ко второму входу компаратора подключена общая шина радиометра. Первый и второй выходы переключателя соединены с вторыми входами первого и второго направленных ответвителей соответственно. На вход переключателя подключены последовательно соединенные генератор шума и источник тока. Блок управления соединен входами синхронного фильтра, переключателя, модулятора и выходной шиной через первый, второй, третий и четвертый выходы соответственно.

Наличие на входе приемника двух направленных ответвителей является избыточным и обуславливает сложность конструкции. Направленные ответвители, особенно в дециметровом диапазоне длин волн, обладают сравнительно большими размерами, затрудняющими миниатюризацию радиотермометров. Отсутствие на входе приемника ферритового циркулятора приводит к возникновению дополнительных ошибок измерений, связанных с возникновением интерференции на входе приемника при изменении импеданса исследуемого объекта. Модулятор, работающий на размыкание входа приемника от выхода антенны, в открытом состоянии обуславливает возникновение интерференции собственных шумов приемника, что приводит к дополнительной погрешности измерений.

Известен радиометр для измерения глубинных температур объекта (радиотермометр) [Патент РФ № 2485462, МПК G01K13/00 (2006.01), G01R29/08 (2006.01), опубл. 20.06.2013], выбранный в качестве прототипа, содержащий антенну, подключенную к первому входу направленного ответвителя, второй и третий входы которого подключены к первому и второму выходам переключателя соответственно. Вторую и третью согласованные нагрузки, подключенные к второму и третьему входам переключателя соответственно. Источник тока, соединенный с первым входом переключателя через генератор шума. Циркулятор, первый вход которого соединен с выходом направленного ответвителя, второй вход соединен с первой согласованной нагрузкой, а выход подключен к первому входу компаратора через последовательно соединенные приемник, синхронный фильтр и фильтр высоких частот. Второй вход компаратора соединен с общей шиной, а выход подключен на вход блока управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с управляющими входами синхронного фильтра, переключателя, модулятора и выходной шиной радиометра соответственно. Модулятор, направленный ответвитель, циркулятор, согласованные нагрузки, переключатель, генератор шума и источник тока размещены на термостатированной плате.

При работе этого радиометра осуществляются два вида синхронно выполняемых импульсных модуляций: амплитудная и широтная. Амплитудно-импульсная модуляция выполняется в модуляторе. Период модуляции состоит из двух полупериодов равной длительности. Широтно-импульсная модуляция осуществляется в переключателе. Радиометр функционирует на основе уравнивания энергий входного сигнала антенны и опорных источников шума, что реализуется изменением длительности сигнала широтно-импульсной модуляции. Первый опорный сигнал формируются из шумов первой согласованной нагрузки, второй связан с сигналом генератора шума. Компенсация влияния коэффициента отражения антенны достигается за счет переменны направления излучения сигнала генератора шума от антенны к приемнику в соответствии с сигналами амплитудной и широтно-импульсной модуляции.

Принцип работы этого радиометра заключается в изменении длительности широтно-импульсного сигнала. Это изменение осуществляется до тех пор, пока компаратор, работающий в режиме сравнения с потенциалом общей шины, не определит равенство вольт-секундных площадей.

В радиотермометре-прототипе входная пассивная высокочастотная часть содержит модулятор. Во втором полупериоде модуляции модулятор размыкает выход антенны и вход направленного ответвителя. Так как развязка плеч циркулятора не бесконечна, часть сигнала, обусловленного собственными шумами приемника, поступает на модулятор. Шумы приемника, отраженные от разомкнутого модулятора, поступают обратно на вход приемника и когерентно складываются с шумами, распространяющимися от его входа к выходу, что приводит к их интерференции. Возникновение интерференции собственных шумов приводит к ошибкам в измерениях.

Наличие второй и третьей согласованной нагрузки является избыточным в конструкции радиотермометра-прототипа. Наличие сравнительно большого числа элементов, находящихся на термостатированной плате обуславливает дополнительные сложности для ее термостатирования, что приводит к дополнительным ошибкам в измерениях, возникающим за счет погрешности поддержания температуры термостатированной платы на заданном уровне.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерений и упрощении конструкции радиотермометра.

Радиотермометр, так же как в прототипе, содержит антенну, термостатированную плату на которой размещены согласованная нагрузка и генератор шума, направленный ответвитель, выход которого соединен с первым входом циркулятора, второй вход которого соединен с выходом согласованной нагрузки, а выход соединен с первым входом синхронного фильтра через приемник, выход синхронного фильтра подключен к входу фильтра высоких частот, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора подключен к выходу общей шины, а выход соединен с входом блока управления, первый выход которого соединен с вторым входом синхронного фильтра, четвертый выход соединен с входом выходной шины данных, второй выход соединен со вторым входом второго переключателя, первый и второй выходы второго переключателя подключены к второму и третьему входам направленного ответвителя соответственно, а к первому входу второго переключателя подключен источник тока через генератор шума.

Согласно изобретению, выход антенны соединен с первым входом первого переключателя, выход которого соединен с первым входом направленного ответвителя, а второй и третий входы соединены с выходом короткозамыкателя и третьим выходом блока управления соответственно.

По сравнению с прототипом предложенный радиотермометр позволяет уменьшить интерференцию собственных шумов приемника. Это приводит к повышению точности измерений. Сокращение числа согласованных нагрузок и элементов, размещенных на термостатированной плате позволяет упростить конструкцию предлагаемого радиотермометра.

На фиг.  1 показана структурная схема предлагаемого радиотермометра.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого радиотермометра.

Радиотермометр (фиг.  1) содержит антенну 1 (А), которая подключена к первому входу первого переключателя 2 (ПК1). Выход первого переключателя 2 (ПК1) соединен с первым входом направленного ответвителя 3 (НО), выход которого соединен с первым входом циркулятора 4 (Ц). Выход циркулятора 4 (Ц) соединен с входом приемника 11 (ПР). Выход приемника 11 (ПР) соединен с первым входом синхронного фильтра 12 (СФ), а его выход подключен к первому входу компаратора 14 (К) через фильтр высоких частот 13 (ФВЧ). Выход общей шины 7 (ОШ) подключен ко второму входу компаратора 14 (К), выход которого соединен с входом блока управления 15 (БУ). Первый выход блока управления 15 (БУ) соединен с вторым входом синхронного фильтра 12 (СФ), а второй выход соединен с вторым входом второго переключателя 6 (ПК2), а третий выход соединен с одноименным входом первого переключателя 2 (ПК1), а четвертый выход подключен ко входу выходной шины данных 16 (ВШ). Выход согласованной нагрузки 5 (СН) подключен ко второму входу циркулятора 4 (Ц). Выход источника тока 10 (ИТ) соединен с первым входом второго переключателя 6 (ПК2) через генератор шума 9 (ГШ). Первый и второй выходы второго переключателя 6 (ПК2) соединены соответственно с вторым и третьим входами направленного ответвителя 3 (НО). Выход короткозамыкателя 17 (КЗ) подключен ко второму входу первого переключателя 2 (ПК1). Согласованная нагрузка 5 (СН) и генератор шума 9 (ГШ) размещены на термостатированной плате 8 (ТСП).

Может быть использована или рупорная, или диэлектрическая, или печатная антенна 1(А). Первый 2 (ПК1) и второй 6 (ПК2) переключатели поглощающего типа могут быть реализованы на основе выпускаемой промышленностью микросхемы PE4257. Приемник 11 (ПР) может быть реализован по схеме прямого усиления или с переносом частоты на основе выпускаемых промышленностью малошумящих усилителей, полосовых фильтров, диодов [Соколов М.А. Проектирование радиолокационных приемных устройств. – М.: Высшая школа. – 1984. – 256 с.].

Фильтр высоких частот 13 (ФВЧ) может быть реализован в виде однозвенных RC-цепей, выполненных на основе резисторов и конденсаторов, выпускаемых промышленностью. Синхронный фильтр 12 (СФ) состоит из трех звеньев, которые могут быть реализованы на переключаемых RC-цепях [Фрейтер Р.Н. Синхронный интегратор и демодулятор // Приборы для научных исследований. – 1965. – Т.36, №5. – С. 53]. Компаратор 14 (К) может быть реализован, например, на основе выпускаемой промышленностью микросхемы LM311. Блок управления 15 (БУ) может быть выполнен на базе дискретных логических элементов, хотя для этого также могут быть использованы программируемые логические матрицы или микроконтроллеры. Термостатированная плата 8 (ТСП) выполнена из диэлектрического материала и содержит нагревающий элемент [Горбач П., Лоу Д. Термостаты и охладители в технологических процессах. Конструкции, выбор, применение. – СПб.: ЦОП "Профессия", 2012. – 352 с.]. Согласованная нагрузка 5 (СН) может быть реализована на основе выпускаемых промышленностью высокочастотных резисторов, например, Р1-81. Источник тока 10 (ИТ) может быть реализован на основе микросхемы AD5260, выпускаемой серийно. В качестве направленного ответвителя 3 (НО) может быть использован направленный ответвитель НО16-0,5-26-03Р-03Р, выпускаемый промышленностью. Генератор шума 9 (ГШ) может быть реализован на или лавинно-пролетных диодах, или диодах Ганна, или транзисторах, выпускаемых промышленностью. В качестве циркулятора 4 (Ц) может быть использован ферритовый циркулятор ФПЦН3-45, выпускаемый промышленностью серийно. Короткозамыкатель 17 (КЗ) может быть реализован на основе короткозамкнутой микрополосковой линии передачи [Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. М.: Радио и связь, 1982, 326с].

Принцип работы радиотермометра поясняется временными диаграммами на фиг. 2 и заключается в следующем. Блок управления 15 (БУ) формирует сигналы широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции. На втором выходе блока управления 15 (БУ) формируется сигнал широтно-импульсной модуляции. На третьем выходе блока управления 15 (БУ) формируется сигнал амплитудно-импульсной модуляции, а на первом выходе формируются сигналы широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции.

Сигнал амплитудно-импульсной модуляции t_АИМ представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов со скважностью следования, равной двум. Один период амплитудной модуляции состоит из двух полупериодов с равными длительностями (фиг. 2). Сигнал широтно-импульсной модуляции представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов с переменной длительностью.

Под действием сигналов t_АИМ и t_ШИМ происходит управление первым переключателем 2 (ПК1), вторым переключателем 6 (ПК2) и синхронным фильтром 12 (СФ). В соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг. 2, блок управления формирует четыре комбинации сигналов t_АИМ и t_ШИМ.

Если блок управления 15 (БУ) формирует управляющие сигналы t_АИМ и t_ШИМ высокого уровня, то, первый вход направленного ответвителя 3 (НО) посредством первого переключателя 2 (ПК1) связан с выход антенны 1 (А), а выход генератора шума 9 (ГШ) со вторым входом направленного ответвителя 3 (НО) посредством второго переключателя 6 (ПК2). Второй переключатель 6 (ПК2) является переключателем поглощающего типа – не активный выход поглощает поступающий на него сигнал.

Следовательно, сигнал Т_А антенны 1 (А) поступает на первый вход первого переключателя 2 (ПК1). С выхода первого переключателя 2 (ПК1) на первый вход направленного ответвителя 3 (НО). Далее, с выхода направленного ответвителя 3 (НО) на первый вход циркулятора 4 (Ц). Сигнал Т_СН, обусловленный шумами согласованной нагрузки 5 (СН), поступает на второй вход циркулятора 2 (Ц). Далее, Т_СН поступает на выход антенны 1 (А) через направленной ответвитель 3 (НО) и переключатель 2 (ПК1). Часть Т_СН отражается от антенны 1 (А) с коэффициентом R, обусловленным рассогласованием антенны с исследуемой биологической средой. Отраженный сигнал Т_СНR поступает обратно на первый вход циркулятора 4 (Ц) через первый переключатель 2 (ПК1) и направленный ответвитель 3 (НО). Источник тока 10 (ИТ) осуществляет непрерывное электропитание генератора шума 9 (ГШ). Сигнал генератора шума 9 (ГШ) поступает на выход антенны 1 (А) через второй переключатель 6 (ПК2), направленный ответвитель 3 (НО), первый переключатель 2 (ПК1). Часть сигнала Т_ГШ, поступающего на антенну 1 (А) и обусловленного сигналом генератора шума 9 (ГШ), отражается от антенны 1 (А) с коэффициентом R, в виду рассогласования антенны с исследуемой средой. Отраженный сигнал Т_ГШR поступает на первый вход циркулятора 4 (Ц) через первый переключатель 2 (ПК1) и направленный ответвитель 3 (НО).

Таким образом, на первом входе циркулятора 4 (Ц) образуется сумма сигналов Т_А, Т_СНR и Т_ГШR. С первого входа циркулятора 4 (Ц) сигналы Т_А, Т_СНR и Т_ГШR поступают на первый вход компаратора 1 (К) через приемник 11 (ПР), синхронный фильтр 12 (СФ) и фильтр высоких частот 13 (ФВЧ), где последовательно выполняются операции усиления, полосовой фильтрации, детектирования, сглаживания и исключения постоянной составляющей. При этом на первом входе компаратора 14 (К) образуется сигнал:

где Т_А – шумовая температура антенны 1 (А);

df – рабочая полоса частот приемника 11 (ПР);

Т_Ш – уровень собственных шумов приемника 11 (ПР);

G – коэффициент передачи приемника 11 (ПР);

k –постоянная Больцмана.

Далее в соответствии с временными диаграммами, изображенными на фиг. 2, блок управления 15 (БУ) формирует комбинацию управляющих сигналов высокого уровня t_АИМ и низкого t_ШИМ. При этом выход генератора шума 9 (ГШ) связан с третьим входом направленного ответвителя 3 (НО).

В этом случае сигнал Т_ГШ из направленного ответвителя поступает на первый вход циркулятора 4 (Ц). При этом аналогично (1) на первом входе компаратора 14 (К) формируется сигнал:

Далее, в соответствии с временными диаграммами, изображенными на фиг. 2, блок управления 15 (БУ) формирует сигналы t_АИМ и t_ШИМ низкого уровня. При этом первый вход направленного ответвтеля 3 (НО) соединен с выходом короткозамыкателя 17 (КЗ).

В этом случае сигнал Т_СН отражается от короткозамыкателя 17 (КЗ) и поступает на первый вход циркулятора 4 (Ц). В виду того, что развязка плеч циркулятора 4 (Ц) не бесконечна, сигнал, обусловленный шумами приемника 11 (ПР) с его входа поступает на первый вход циркулятора 4 (Ц). Далее, проходя через направленный ответвитель 3 (НО) и переключатель 2 (ПК) этот сигнал отражается в короткозамыкателе 17 (КЗ). После отражения в короткозамыкателе 17 (КЗ) отраженный сигнал поступает на вход приемника 11 (ПР). В результате взаимодействия собственных шумов приемника 11 (ПР) и отраженных шумов проявляется их интерференция. Величина сигнала, обусловленного интерференцией связана с электрической длинной короткозамыкателя 17 (КЗ) и коэффициентом развязки плеч циркулятора 4 (Ц) и носит волновой характер.

В связи с этим на первом входе компаратора 14 (К) формируется сигнал:

где δ – величина, характеризующая уровень интерференции сигнала собственных шумов приемника 11 (ПР).

Уровень сигнала интерференции собственных шумов определяется соотношением [Троицкий B.C. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 1981. - №9. - С. 1954-1961]:

где γ – величина обратная развязке циркулятора 4 (Ц), l – электрическая длинна короткозамыкателя 17 (КЗ), С – электрическая длинна волноводов от входа приемника 11 (ПР) до короткозамыкателя 17 (КЗ).

Выбирая электрическую длину короткозамыкателя 17 (КЗ) таким образом, что сигналы, обусловленные собственными шумами приемника 11 (ПР) и отраженными шумами складываются с разностью фаз 180° можно добиться достаточного подавления интерференционной составляющей . Выбор электрической длинный короткозамыкателя 17 (КЗ) осуществляется путем настройки физической длинны короткозамыкателя 17 (КЗ) и осуществляется следующим образом. Антенна 1 (1) направляется на радиопоглощающий материал с физической температурой, равной температуре термостатированной платы 8 (ТСП). В этом случает уровень сигналов Т_СН и Т_А одинаков. Далее путем регулирования физической длинны короткозамыкателя 17 (КЗ) добиваются равенства уровней сигналов А и С на входе компаратора 14 (К). В этом случае уровень сигнала интерференционной составляющей близок к нулю и его дальнейшим влиянием на измерения можно пренебречь.

В зависимости от состояния сигнала на выходе компаратора 14 (К) в блоке управления 15 (БУ), при низком уровне t_АИМ, происходит регулирование длительности сигнала широтно-импульсной модуляции t_ШИМ. Если на выходе компаратора 14 (К) сформирован сигнал высокого уровня, то длительность сигнала широтно-импульсной модуляции t_ШИМ уменьшается. Если на выходе компаратора 14 (К) сформирован сигнал низкого уровня, то длительность сигнала широтно-импульсной модуляции t_ШИМ увеличивается. Регулирование осуществляется до тех пор, пока не выполнится равенство вольт-секундных площадей положительного и отрицательного импульсов на первом входе компаратора 14 (К). При этом среднее значение сигнала во втором полупериоде модуляции равно нулю, что фиксируется компаратором 14 (К) в последующем первом полупериоде модуляции, при его сравнении с потенциалом общей шины 7 (ОШ). В этом случае выполняется равенство:

Подставляя (1), (2) и (3) в (4) получим:

Шумовая температура антенны 1 (А) в виду возникающего отражения от границы раздела двух сред пропорциональна:

где T_O – шумовая температура исследуемого объекта.

Решая (5) относительно t_ШИМ с учетом (6) получим:

Из последней формулы (7) следует линейная зависимость сигнала t_ШИМ от входного сигнала антенны 1 (А). Следовательно, через эту длительность определяется шумовая температура объекта. Так же из формулы (7) следует, что на длительность широтно-импульсного сигнала не влияют изменения уровня собственных шумов Т_Ш и коэффициента передачи G приемника 11 (РП) и коэффициента отражения R. Устранение влияния этих дестабилизирующих факторов указывает на то, что радиотермометр работает по принципу нулевых измерений.

После накопления требуемого количества значений сигнала широтно-импульсной модуляции блок управления 15 (БУ) формирует на выходной шине 16 (ВШ) цифровой код, соответствующий сигналу Т_О исследуемого объекта.

Таким образом, использование короткозамыкателя 17 (КЗ) позволяет минимизировать интерференционную составляющую сигнала собственных шумов приемника 11 (ПР) во втором полупериоде модуляции. Следовательно, по сравнению с прототипом, в предлагаемом радиотермометре повышена точность измерений за счет снижения систематической погрешности, обусловленной интерференцией собственных шумов.

По сравнению с прототипом, в предлагаемом радиотермометре сокращено число согласованных нагрузок, а на термостатированной плате 8 (ТСП) размещены только генератор шума 9 (ГШ) и согласованная нагрузка 5 (СН). Уменьшение числа согласованных нагрузок и элементов, расположенных на термостатированной плате 8 (ТСП) обуславливает упрощение конструкции предлагаемого радиотермометра. Уменьшение числа элементов, расположенных на термостатированной плате позволяет уменьшить ее физические размеры. Это позволяет уменьшить погрешность термостатирования. Как известно из теории приема шумовых сигналов [Есепкина Е.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. "Радиотелескопы и радиометры". – М.: Наука. –1973. –416 с.], погрешность радиометрических измерений связана с погрешностью опорных генераторов шума, уровень которой, в случае использования согласованной нагрузки, задан погрешностью ее термостатирования. Поэтому в предлагаемом радиотермометре точность измерений повышена, по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для измерения характеристик электромагнитного поля, применяемым в неразрушающем контроле диэлектриков, медицине. Техническим результатом является повышение точности измерений и упрощение конструкции. Технический результат достигается тем, что радиотермометр содержит антенну и термостатированную плату, на которой размещены согласованная нагрузка и генератор шума, и при этом отличается от прототипа тем, что выход антенны соединен с первым входом первого переключателя, выход которого соединен с первым входом направленного ответвителя, а второй и третий входы соединены с выходом короткозамыкателя и третьим выходом блока управления соответственно. 2 ил.

Радиотермометр, содержащий антенну (1), термостатированную плату (8), на которой размещены согласованная нагрузка (5) и генератор шума (9), направленный ответвитель (3), выход которого соединен с первым входом циркулятора (4), второй вход которого соединен с выходом согласованной нагрузки (5), а выход соединен с первым входом синхронного фильтра (12) через приемник (11), выход синхронного фильтра (12) подключен к входу фильтра высоких частот (13), выход которого соединен с первым входом компаратора (14), второй вход компаратора (14) подключен к выходу общей шины (7), а выход соединен с входом блока управления (15), первый выход которого соединен с вторым входом синхронного фильтра (12), четвертый выход соединен с входом выходной шины данных (16), второй выход соединен со вторым входом второго переключателя (6), первый и второй выходы второго переключателя (6) подключены к второму и третьему входам направленного ответвителя (3) соответственно, а к первому входу второго переключателя (6) подключен источник тока (10) через генератор шума (9), отличающийся тем, что выход антенны (1) соединен с первым входом первого переключателя (2), выход которого соединен с первым входом направленного ответвителя (3), а второй и третий входы соединены с выходом короткозамыкателя (17) и третьим выходом блока управления (15) соответственно.