СВЧ-радиометр Советский патент 1984 года по МПК G01R29/08 

Изобретение относится к измерительой технике, а именно к радиофизичесИМ измерениям, и может быть испольовано при создании измерителей радиозлучений в радиоастрономии,в системах з пассивной радиолокации, для радиофизиеских исследований, а также для змерения шумовых сигналов СВЧ диаазона.

Известен двухканальный модуляци- to онный СВЧ-радиометр, содержащий оследовательно соединенные ВЧпереключатель, ВЧ-фильтры, детекторы, избирательные усилители, синхронные етекторы и сумматор, а также гене- is ратор модулирующего напряжения, соединенный с управляющими входами п ВЧ-переключателя и синхронных детекторов m ,

Недостатком известного СБЧ- 20 радиометра является низкая чувствительность.

Наиболее близким к изобретению является СВЧ-радиометр, содержащий антенну, усилитель-преобразователь, 25 а также последовательно со.единенные первый квадратичный детектор, первый интегратор и выходной вычитатель 2 .

Недостатком данного СВЧ-радио- JQ метра является низкая чувствительность.

Цель изобретения - повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается 35 тем, что в СВЧ-радиометре, содержащем антенну, усилитель-преобразователь, а также последовательно соединенные первый квадратичный детектор, первый интегратор и выходной вычитатель, между выходом антенны и входом усилителя-преобразователя последовательно включены первый симметричный делитель мощности, четырехплечее гибридное соединение и первый сумматор мощности,между выходом усилителя. преобразователя и входом первого квадратичного детектора включен второй симметричный делитель мощности, между вторьм выходным плечом 50 которого и вторым входом выходного вычитателя последовательно включены третий симметричный делитель мощности, второй сумматор мощности, второй квадратичный детектор и вто- 55 рой интегратор, при этом между вторым выходным плечом первого симметричного делителя мощности и вторым

входным плечом четырехплечего гибрццного Соединения включена первая линия задержки, между вторым выходным плечом четырехплечего гибридного соедгтнения и вторым входным плечом первого сумматора мощности включена вторая линия задержки, а между вторым выходным плечом третьего симметричного делителя мощности и вторым входным плечом второго сумма- тора мощности включена третья линия задержки, при этом величина задержки € первой и второй линий задержки вдвое меньще времени задержки третьей линии задержки и определяется из условия 1

где uf - полоса пропускания усилителя-преобразователя.

На чертеже приведена структурная электрическая схема предлагаемого СВЧ-радиометра.

СВЧ-радиометр состоит из антенны

1

, первого, второго и третьего

симметричных делителей 2, 3 и 4 мощности, первой, второй и третьей линий 5,6 к 7 задержки, четырехплечего гибридного соединения 8, первого и второго сумматоров 9 и 10 мощности, усилителя-преобразователя 11, первого и второго квадратичных детекторов 12 и 13,, первого и второго интеграторов 14 и I5 и выходного вычитателя 16.

СВЧ-радиометр работает следующим образом.

С антенны 1 сигнал U (t) поступает на вход первого симметричного делителя 2 мощности. Разделенный по мощности пополам сигнал (t) поступает непосредственно на вход четырехплечего гибридного соединения 8 и через первую линию 5 задержки на второй вход четырехплечего гибридного соединения 8. На выходах четырехплечего гибридного соединения 8 будут соответственно сигналы:

u,li4bU,Wl)

Ucibti-lJc(t. (2)

С первого выхода четырехплечего гибридного соединения 8 ситн,ал через вторую линию 6 задержки поступает на ггервое входное плечо ПСУГОГО сумматора 9 мощности, а с второго зыхода сигнал постзттает непосредстз нно на второе входное плечо первого суг- катора 9 мощности, на выходе которого будет сигнал, равный - Mt-2t)4U,U-tl + i Ueli-tbU,(i 4 UcU-2iU42Uclt-ibUcli). (3) С выхода первого сумматора 9 мощности сигнал поступает на вход усили теля-преобразователя 11, в которых к сигнальной составляющей добавляются внутренние шумы усилителя-преобразователя 11 U..(t). Сигнал, поступающий с антенны I на вход СВЧ-радиометра, носит шумовой характер и пред ставляет собой, как правило, нормаль ный эргодический процесс с шириной спектра,значительно превьшающей по - лосы пропускания входящих в состав СВЧ-радиометра . На выходе усилителя преобразователя I1 смесь сигнала с внутренним шумом имеет ширину спектр ч-л и соответственно имеет вид | Uell-n 4 UeU-C)-l cl-t1 U lt). Ч) Сигнал с выхода усилителя-преобра зователя i1 поступает на вход второго симметричного делителя 3 мощности на выходе которого будет сигнал 2 UcU-2J IuUctt-f),W,( С первого выхода второго симметричного делителя 3 мощности сигнал поступает на вход первого квадратичного детектора 12, с выхода которого поступает на вход первого интегратора 14. Так как сигнал и шум некоррел рованы, то на выходе первого интегратора 14 сигнал будет определяться гларным образом компонентами :-g-fIUclt-2C d.4i.ihu;nt-u)dl4.iv оо vjulWJbii.utit)a,, с о статистическое среднее значение которых равно -|lPc 2P,.P,ViPu-| c4Pb.. Сб) С второго выхода второго симметричного делителя 3 мощности сигнал поступает на вход третьего симметрич ного делителя 4 мощности, на выходе которого будет иметь -вид .UcU-2t)Uctbt),W. (7) С выхода третьего симметричного делителя 4 мощности сигнал поступает во второй сумматор 10 мощности непосредственно на первый вход и через третью линию 7 задержки на второй вход второго сумматора 10 мощности, на выходе которого сигнал имеет вид ,it-2,2UcU-t -Uclil + )4-42llca- I -UcU-22J4iUi,lt-2Cb -i UcU-4Jh4 Ucit-3O 42Ucit-tbUc t) ,.ltl. C.X) С выхода второго сумматора 10 мощности сигнал.поступает на вход второго квадратичного детектора 13, с выхода которого поступает на вход , второго интегратора 15, на выходе которого сигнал определяется главным образом компонентами г тт Ь2 uJii- JVdt.2j U.il-)JU ооо u:itl i: 4t uilt-2 0dbi- uJ.W,f статистическое среднее значение которых равно ,.2;р.Р,).Цр.а) Таким образом, на цервый вход выходного вычитателя 16 поступает сигнал с вькода первого интегратора Р..4-- Р(т,) на второй вход сигнал с выхода второго интегратора 15( V PCу РЫ) S результате чего на выходе выходного вычитателя 16 будет сигнал 1 Г/сСледовательно, выходное напряжение СВЧ-радиометра пропорциональна мощности сигнала, как и в известном СВЧ-радиометре, а составляющая . внутреннего шума отсутствует, при этом компенсация среднего значения шумовой составляющей будет достигаться и при фпуктуациях коэффициента усиления каскада ВЧ усиления. Чувствительность СВЧ-радиометра определяется следукщим образом. Из рассмотрения выражений (8)и (4) и описанного принципа действия СВЧ-раднометра можно сделать вьтод, что основной вклад в пгумовую компоненту выходного напряжения вносит составляющая, пропорциональная величине , ,)4U;Ul -i UiW 4 t-tbO,U(i-2fbUiw. f70 Методами теории случайных про цессов можно показать, что в рас сматриваемом случае дисперсия D 9 личины У равна (12)гкПодставляя выражение получим I рн 242 bi , Отсюда, учитьгоая, что среднее значение выходного напряжения пр ционально Р и понимая под ч о Р ствительностью мощности сигнала при которой величина отношения сигнал/шум на выходе СВЧ-радиоме о ili I , получим cmin гтг равна 1 , получим или в темп етз я тур ах б 24 лГььТГ где Т - шумовая температура каскадов усиления и преобразования;t - время интегрирования. Таким образом, предлагаемый СВЧрадиометр обладает более высокой (приблизительно на полпорядка) реальной чувствительностью, что достигается за счет компенсации среднего значения шумовой составляняцей. По сравнению с модуляционным радиометром данный СВЧ-радиометр не имеет модулятора после айтенны, что приводит к уменьшению шумов схемы (V на 50 К), а также к упрощению конструкции из-за отсутствия модулятора и схемы управления.

СВЧ-РАДИОМЕТР, содержащий антенну, усилитель-преобразователь, а также последовательно соединенные первый квадратичный детектор, первый интегратор и выходной вычитатель, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, между выходом антенны и входом усилителя-преобразователя последовательно включены первый симметричный делитель мощности, четырехплечее гибридное соединение и первый сумматор мощности, между выходом усилителя-преобразователя и входом первого квадратичного детектора включен второй симметричный делитель мощности, между вторым выходным плечом которого и вторым входом выходного вычитателя последовательно включены третий симметричный делитель мощности, второй сумматор мощности, второй квадратичнЕлй детектор и второй интегратор, при этом между вторые выходным плечом первого симметричного делителя мощности и вторым входным плечом четырехплечего гибридного соединения включена первая линия задержки, между вторым выходным плечом четырехплечего гибридного соединения и вторым входным плечом первого сумматора мощности включена вторая линия задер;кки, а мелду вторым выходным плечом58 третьего симметричного делителя мощности и вторым входным плечом второго сумматора мощности включена третья линия задержки, при этом величина задержки t первой и второй линий задержки вдвое меньше времени задержки третьей линии задержки и определяется из условия to 1 -:. Од 2&t 00 где Й1 - полоса пропускания усилителяпреобразователя.