Модуляционный радиометр для измерений шумовых сигналов Советский патент 1989 года по МПК G01R29/26 

Изо«5ретение относится к измеритель ной технике и предназначено для измерения мощности слабого радиоизлучения шумового характера в радиоас- трономии, народном хозяйстве, медицине и т.д.

Целью изобретения является повы шение точности за счет уменьшения потерь во входном тракте, а также автоматизация процесса измерения.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Модуляционный радиометр для -измерений шумовых сигналов содержит первый управляемый аттенюатор 1, цир- кулятор , 2 (с направлением циркуляции I) второй управляемый ат- тенюатор 3, генератор 4 шума, выход которого соединен с входом второго управляемого аттенюатора 3, и первый вентипь 5, смеситель 6, второй вентиль 7, вход которого соединен с йыходом гетеродина 8, а-выход - с гетеродинным входом смесителя 6, пос- ледовательно соединенные усилитель 9 промежуточной частоты, квадратичный детектор 10, усилитель 11 низкой час- пготы, синхронный детектор 12 и регистрирующий блок 13, причем вход усили- теля 9 промежуточной частоты соединен с выходом смесителя 6, программируемый блок 14, блок 15 коммутации, генератор 16 опорного напряжения, третий выход которого соединен с опорным ; входом синхронного детектора 12, первый вход блока 15 соединен с первым выходом генератора 16 опорного напряжения, а второй вход - с вторым выходом генератора опорного напря- женил, причем первый выход генератора 16 опорного напряжения засинхро низирован с. третьим выходом, а на втором выходе имеется постоянное напряжение, программируемый блок 14 управления, первый выход которого соединен с генератором 4 шума, а второй выход,- с входом управления блока 15 коммутации,первый выход блока 15 коммутации соединение первым управляемым аттенюатором 1, а второй выход - с вторым управляемым аттенюатором 3, причем блок 15 коммутации осуществляет, либо прямую, либо пере- кресную передачу напряжений своих -первого и второго входов на свои первый и второй выходы, первое плечо циркулятора 2 соединено с выходом первого управляемого аттенюатора

1, второе плечо - с входом первого вентиля 5, а третье плечо - с выходом второго управляемого аттенюатора 3, выход первого, вентиля 5 соединен с сигнальным входом смесителя 6.

Модуляционньй радиометр для измерений шумовых сигналов работает следующим образом. .

В режиме приема напряжение частот модуляции на первом выходе генератора 16 опорного напряжения, синхронное с напряжением на его третьем выходе, поступает на первый вход блока 15 коммутации (который в этом режиме осуществляет прямую передачу напряжений на входах к выходным зажимам) и с первого выхода блока 15 поступает на первьй управ- ляемый аттенюатор 1, в то время как На второй управляемый аттенюатор 3 поступает постоянное запирающее напряжение с второго выхода блока коммутации.

В течение первого полупериода модулирующего напряжения, когда пер- вьш управляемый аттенюатор 1 открыт, на вход радиометра поступает сигнал из антенны, и в течение второго полупериода (когда первый управляемый аттенюатор 1 закрыт) - опорный сигнал, которым в данном случае является шумовая температура запертого первого упра:вляемого аттенюатора 1 поглощающего типа, равная температуре окружающей среды (она поддерживается постоянной с помощью термостата) .

Модулятор непрерывно с частотой модуляции сравнивает шумовую температуру приходящего из антенны сигнала с шумовой температурой опорного сигнала Па выходе модулятора в процессе измере ния возникает модулированный шумовой сигнал, интенсивность которого меняется от значения, соответствующего температуре опорного сигнала,до значения, соответствующего антенной температуре, подлежащей измерению. Этот сигнал через плечо I-II циркулятора 2 и первый вентиль 5 поступае на вход смесителя 6, на гетеродинный вход которого, поступает сигнал от гетеродина 8.

Циркулятор 2 в данной схеме выполняет две функции, так как кроме осущесвления развязки между входом смесителя 6 и модулятором он выполняет

также функцию направленного ответ- вителя. Преобразованный в смесителе 6 сигнал поступает на вход усилителя 9 промежуточной частоты, усиливается и детектируется квадратичным детектором 10. Продетектированный сш-нап с частотой модуляции поступает на вход усилителя 11 низкой частоты,

15256266

температуре калибровочного сигнала. Этот сигнал по плечу TII-II Ц1фку- лятора 2 поступает через первый вентиль 5 на вход смесителя 6. Далее сигнал подвергают обработке в toM же порядке, что и в режиме приема. Величина обработанных потерь в плече III-II циркулятора 2 учитывается при

Изобретение может быть использовано для измерения мощности слабого радиоизлучения шумового характера в радиоастрономии, народном хозяйстве и медицине. Цель изобретения - повышение точности и автоматизация процесса измерения - достигается за счет уменьшения потерь во входном тракте и введения программируемого блока 14 управления и блока 15 коммутации. В устройстве входной шумовой сигнал через последовательно соединенные первый управляемый аттенюатор 1, циркулятор 2, первый вентиль 5, смеситель 6, усилитель 9 промежуточной частоты, квадратичный детектор 10, усилитель 11 низкой частоты и синхронный детектор 12 поступает на регистрирующий блок 13. Калибровка осуществляется сигналом с генератора 4 шума, который через второй управляемый аттенюатор подключен к второму входу циркулятора 2. Синхронизация устройства обеспечивается генератором 16 опорного напряжения, соответствующие выходы которого подключены к входам синхронного детектора 12 и блока 15 коммутации. При приеме приходящего из антенны сигнала первый управляемый аттенюатор 1 работает в режиме модулятора, а второй запрет. При калибровке радиометра в режиме модулятора работает второй управляемый аттенюатор 3, а первый заперт. 1 ил.

усиливается и поступает на сигнальный 10 определении значения калибровочного

вход синхронного детектора 12, на опорный вход которого поступает сигнал от генератора 16. Выходной сигнал синхронного детектора 12, соответствующий мощности измеряемого сигнала, фиксируется регистрирующим блоком 13.

Для осуществления режима калибровки по сигналам, 1 оступающим из программируемого блока 14 управления, включается генератор 4 шума и проис- ходит перекрестная передача напряжени на входе блока 15 к его выходным зажимам (т.е. напряжение на втором выходе блока 15 становится засинхронизированн 1С третьим выходом генератора 16, а на первом выходе блока 15 имеется постоянное напряжение). Напряжение частоты модуляции, синхронное с Напряжением на третьем выходе генератора 16, поступает на второй управляемый аттенюатор 3, а на первый управляемый аттенюатор 1 поступает постоянное запирающее напряжение.

В течение первого полупериода модулирующего напряжения, когда второй управляемый .аттенюатор; 3 открыт, на вход радиометра поступает калибро-. вочный сигнал от генератора А шума, а в течение второго полупериода, когда второй управляемый аттенюатор 3 закрыт, на вход радиометра поступает опорный сигнал, которым в данном случае также, как и в режиме приема, является шумовая температура запертого второго управляемого аттенюатора 3.

Модулятор (в данном случае второй управляемый аттенюатор 3) непрерывно с частотой модуляции сравнивает шумовую температуру калибровочнох о сш нала от генератора шума 4 с температурой опорного сигнала.

На выходе модулятора в процессе измерения возникает модулированный шумовой сигнал, интенсивность которого меняется от значения, соответствующего температуре опорного сигнала, до значения, соответствующего

сигнала.

Флуктуационная чувствительность модуляционного радиометра определяется следующим выражением:

в6

Tpg

(1)

Т„

Lf где oi 0,5-2 - коэффициет, зависящий от схемы радиометра и вида модуляции и демодуляции принимаемого сигнала; температура антенны, зависящая от параметров антенны и ее ориентации в простанст- . ве, к;

эквивалентная шумовая температура радиометра, К;

полоса принимаемых частот по шумовому сигналу, реально равная полосе пропускания усилителя промежуточной частоты, постоянная времени интех р.ирования.

Из вьфажения (1) видно, что для улучшения флуктуационной чувствительности радиометра очень важно достижение минимально возможной эквивалентной шумовой температуры приемника (Т „) .Эквивалентная шумовая ратура супергетеродинного приемника, приведенная к его входу, может быть представлена в следующем виде:

Зг

ТПР

а.4 - ОТ,

ва

(2)

где Т

пр см

пч

- шумовые температуры всего приемника, смесителя И усилителя про.. межуточной частоты, соответственно;

Т - температура окружающей среды; Lgy потери во входном

6noKei

, - однополосные потери преобразователя смесителя.

Прямые потери во входном блоке прототипа, представляют собой аддитив- ную сумму всех потерь до смесителя, т.е..

аа i- й + Аа + Чэ (3)

где lL.f , ,

Ьд, Lp3 прямые потери в первом управляемом аттенюаторе направленном ответвителю, во. втором упt. .,

равляемом аттенюаторе и в развязьшающих элементах (в первом вентиле и циркуляторе) соответственно.

Одной из основных причин низкой фпуктуационной чувствительности этого блока является наличие сравнительно большого количества пассивных элементов, которые вносят значительный вклад в общую температуру приемника и тем самым ухудшают его фпуктуаци- онную.чувствительность даже при условии минимизации LQ/, LCM,

Потери во входном устройстве предлагаемого радиометра представляются следзпощим выражением:

цу Ьд,+ Lp. (4)

Циркулятор 2 в данной схеме выполняет роль не только развязьшающёго элемента, но и направленного отвер- дителя, предназначенного для подачи калибровочного сигнала. Из сравнения выражений (3) и (4) видно, что в выражении (4) отсутствуют состав- ляющие и Ьд2 .

, Паспортные значения прямых потерь L развязывающих элементов и управляемых аттенюаторов в миллиметровом диапазоне длин волн составляют 1 дБ (например паспортные данные аттенюаторов поглощающего типа, фёр- ритовых вентилей).

Если принять потери в первом и втором аттенюаторах, а также в каждом из развязьшающих элементов, равг ньтми 1 дБ а потери в основном канале направленного ответвителя LHO

с

ю

5

0

5 0

Q 5

5

5

0,2 дБ, то согласно формулам (2) и (3) получаем для прототипа (при Те 300 К):

Lgy 1 + 0,2 + 1 + 2 4,2 дБ (2,63 раза)i

Тпр -3900 К при К: Ь,„ 6 дБ; К.

Для предлагаемого же радиометра получаем:

, 1 + 2 3 дБ (2 раза); Тпр - 2900 К при тех же значениях Т«м --см Тпм .

Из выражения (t) видно, что при одинаковых значениях с. , Д и t флук- туационная чувствительность Тд за- виеит только от значения (Т + Трр ). Если принять 300 К, то получим, что отношение значений флуктуацион- ных чувстБИтельностей прототипа & апрог предлагаемого радиометра 5Тд равно:

Тс,,р,, ,.1,35,

т.е. флуктуационная чувствительность предлагаемого устройства повысилась по сравнению с прототипом на 35%, что в результате привело к соответствующему повышению точности измерений.

Формула изобретения

Модуляционный радиометр для измерений шумовых сигналов, содержащий первый управляемый аттенюатор, второй управляемый аттенюатор, генератор шума, выход KOTopoi o соединен с входом второго управляемого аттенюатора, циркулятор и первый вентиль,. смеситель, гетеродин и второй вентиль, вход которого соединен с выходом гетеродина, а выход - с гетеродинным входом смесителя, последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты, квадратньй детектор, усилитель низкой частоты, синхронный детектор и регистрирующий блок, причем вход усилителя промежуточной частоты соединен с выходом смесителя, и генератор опорного напряжения, третий выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора, отличающийся тем, что, с целью повьш1ение точности, введены программируемьй блок управления и блок коммутации, первьй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного напряжения, а второй вход - с вторым вь1ходом гене9152562610

ратора опорного напряжения, первый го управляемо о аттенюатора, при выход програмируемого блока упр ав- ,этом первое плечо циркулятора соеди- ления подключен к управляющему входу нено с выходом первого управляемого генератора шума, а второй выход - к , аттенюатора, второе плечо - с входом входу управления блока коммутации, первого вентиля, а третье плечо - с первый выход блока коммутации подклю- выходом второго управляемого аттеню- чен к управляняцему входу первого уп- атора, причем вьпсод первого вентиля равляемого аттенюатора, d второй соединен с сигнальным входом смеси- выход - к управляющему входу второ- 10 теля.