научная статья по теме ПРИЕМНЫЙ БЛОК НУЛЕВОГО МОДИФИЦИРОВАННОГО МИКРОВОЛНОВОГО РАДИОМЕТРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ АНТЕННЫ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРИЕМНЫЙ БЛОК НУЛЕВОГО МОДИФИЦИРОВАННОГО МИКРОВОЛНОВОГО РАДИОМЕТРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ АНТЕННЫ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 82-86

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.396.9

ПРИЕМНЫЙ БЛОК НУЛЕВОГО МОДИФИЦИРОВАННОГО МИКРОВОЛНОВОГО РАДИОМЕТРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ АНТЕННЫ © 2015 г. А. В. Филатов, А. В. Убайчин

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 40 E-mail: filsash@mail.ru Поступила в редакцию 27.03.2014 г.

Описан приемный блок микроволнового радиометра, использующий в основе работы модифицированный метод нулевых измерений. Применение данного блока позволило минимизировать влияние рассогласования антенны с исследуемой средой. При приближении объекта исследования к антенне до полного ее соприкосновения ошибка в выходном сигнале радиометра не превысила 0.1 К.

DOI: 10.7868/S0032816215010176

При создании микроволновых радиометров (устройств приема электромагнитных волн теплового излучения объектов) для исследования сред, расположенных в непосредственной близости с антенной (в том числе и с антенной аппли-каторного типа), значительное влияние на точность измерений оказывают вариации коэффициента отражения на границе антенны и исследуемой среды. В работах [1—3] уменьшение влияния коэффициента отражения на точность измерений осуществляется такими способами, как компенсация, дополнительное термостатиро-вание антенной системы, учет влияния в процессе обработки сигналов и т.д.

Наряду с этим применяются различные структурные принципы создания входных приемных блоков радиометрических систем, позволяющие схемотехническими приемами снизить влияние изменения коэффициента отражения при приближении антенны к объекту исследования. В основу ослабления влияния коэффициента отражения на точность измерений положен способ, по которому происходит дополнительное подшум-ливание объекта исследования регулируемым сигналом источника шума радиометра, который в большинстве случаев осуществляется следующим образом [4].

При распространении электромагнитного сигнала в толще объекта исследования к радиометру часть его отражается от поверхности и поступает обратно в объект. Чтобы компенсировать потери сигнала за счет отражения, радиометром осуществляется подшумливание объекта.

Адаптивное определение радиометром части полезного сигнала, возвращаемого обратно в объект, позволяет осуществить принцип взаимности,

симметричности, одинаковость коэффициента отражения при рассмотрении сигналов, распространяющихся со стороны объекта исследования или со стороны приемной антенны радиометра. В процессе работы радиометр регулирует излучаемый в сторону антенны дополнительный шумовой сигнал, который после отражения на границе с объектом поступает на вход радиометрического приемника. В результате, на входе радиометрического измерительного тракта формируется полный полезный сигнал объекта.

В радиометре [5] опорный сигнал подшумли-вания объекта исследования регулируется изменением температуры согласованной нагрузки, термодинамическая температура которой определяет эффективную температуру шумов, излучаемых в с.в.ч.-тракт. В результате устанавливается нулевой баланс на входе радиометрического приемника. Так как изменения температуры согласованной нагрузки происходят с некоторой инерционностью, а система установления нулевого баланса работает по принципу слежения, это приводит к снижению динамических характеристик радиометра. Другим недостатком является узкий динамический диапазон измерений, так как температуру пассивного источника шума — согласованной нагрузки — можно изменять в небольших пределах.

В данной работе рассмотрено приемное устройство радиометра, принцип работы которого основан на модификации метода нулевого приема [6]. Обычно опорный сигнал подшумли-вания регулируется по величине, а в представленной схеме приемного устройства управление уровнем сигнала подшумливания осуществляется путем изменения длительности поступления в

ПРИЕМНЫЙ БЛОК

83

Граница "объект—антенна"

тя

вТгш

[УВЧ

КЛ

Т(1-Я)

НО

г1

вТУВЧЯ

СН1

ПК

УВЧ

СН2

1 ГШ

ГШ ИТ Сигналы

* БР!

Рис. 1. Структурная схема приемного блока модифицированного нулевого радиометра для исследования объектов, находящихся в непосредственной близости с антенной. А — антенна; КЛ — сверхвысокочастотный ключ; НО — направленный ответвитель; ПК — сверхвысокочастотный переключатель; СН1 2 — согласованные нагрузки; ГШ — генератор шума; УВЧ — усилитель высоких частот; ИТ — источник тока; ТЯ — часть полезного сигнала объекта, отраженного на границе со средой обратно в объект с коэффициентом отражения Я.

приемный тракт опорного шумового сигнала неизменной мощности. В качестве генератора шума используется активный источник — шумовой диод.

Применение в радиометре модификации метода нулевого приема позволяет не только устранить влияние на точность измерений коэффициента отражения от границы раздела антенны с объектом, но и по длительности действия опорного сигнала подшумливания косвенно определить искомый сигнал, минимизировать влияние на точность измерений дрейфа и флуктуаций коэффициента усиления измерительного тракта по низкой и высокой частотам, включая коэффициент передачи квадратичного детектора.

На рис. 1 представлена структурная схема входного узла радиометра, включающая антенну А, сверхвысокочастотные ключ КЛ и переключатель ПК, две согласованные нагрузки СН1 и СН2, направленный ответвитель НО, работающий в противонаправленном режиме, опорный генератор шума ГШ, источник питания генератора шума — источник тока ИТ, управляемый по сигналам интерфейса БР!, первый усилитель высоких частот УВЧ.

Во входном блоке осуществляются два вида синхронно выполняемых импульсных модуляций: амплитудная и широтная (рис. 2). Амплитудно-импульсная модуляция является симметричной (типа меандр) и включает два полупериода равной длительности гаим. По сигналам гаим происходит включение и выключение с.в.ч.-ключа КЛ.

В устройстве применен ключ отражательного типа, т.е. в случае разомкнутого состояния, когда сигнал гаим равен логическому нулю (гаим = лог. 0), ключ отражает поступивший с НО сигнал генератора шума в сторону усилителя. В другом случае, если гаим равен логической единице (гаим = лог. 1), ключ подключает через НО антенну к входу УВЧ.

Широтно-импульсная модуляция выполняется только в пределах первого полупериода амплитудно-импульсной модуляции по управляющему

Период амплитудно-импульсной модуляции

Первый

Второй

I

^полупериод^ | ^полуперйод^ |

Выходной

сигнал 1 радиометра

0-

■4

Р-

и_

-Б-

г:

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие синхронное выполнение во входном блоке двух видов импульсных модуляций: амплитудной и широтной.

г

аим

г

шим

г

аим

г

шим

г

сигналу с длительностью ?шим. Импульсный логический сигнал длительности ?шим управляет коммутацией в переключателе ПК и тем самым меняет направление поступления опорного шумового сигнала ГШ в приемный тракт. Если ?шим = лог. 1, шумовой сигнал генератора после направленного ответвителя поступает на вход усилителя высоких частот; если ?шим = лог. 0, шумовой сигнал излучается в сторону антенны.

Таким образом, для различных комбинаций управляющих сигналов ?аим и ?шим на входе высокочастотного усилителя будут присутствовать три шумовых сигнала (рис. 2):

сигнал А (шим = 1, ¿аим = 1), равный Т (1 - К) + Тгшв + ТувчК + Тувч,

сИГнал В шим = 0, ¿аим = 1),

равный Т (1 - К) + ТгшрК + ТувчК + Тувч,

сигнал С (¿шим = 0 ¿аим = 0 ),

равный Тгшв + Тувч + Тувч,

(1)

(2)

(3)

где Т — измеряемая шумовая температура объекта; Я — коэффициент отражения по мощности на границе "объект — антенна"; Тгш — эффективная шумовая температура опорного генератора шума; в — коэффициент передачи сигнала генератора шума из основного канала направленного ответвителя во вспомогательный; Тувч — приведенная ко входу усилителя высоких частот температура собственных шумов измерительного тракта.

В ходе анализа в качестве сигналов рассматриваются не мощности тепловых шумов, а их шумовые температуры, которые согласно [7] связаны между собой через коэффициент пропорциональности, равный произведению постоянной Больцмана на полосу принимаемых радиометром частот. Шумы антенны, генератора шума, собственные шумы усилителя принадлежат разным источникам и, следовательно, не коррелированы между собой. Поэтому их эффективные шумовые температуры можно суммировать.

В ходе анализа считаем, что антенна и с.в.ч.-ключ не имеют потерь, а также принимаем направленность ответвителя и отражение ключа в разомкнутом состоянии идеальными.

Особому рассмотрению подлежат собственные шумы радиометра, обозначенные как Тувч. При формировании уровней шумовых сигналов А и В собственные шумы излучаются в сторону антенны, отражаются и, поступая на вход усилителя равными ТУВЧЯ, складываются с собственными шумами Тувч. Чтобы эти две составляющие шумов были не когерентными и отсутствовала корреляция между ними, должно выполняться условие [8]

(2^/Со) > а/40,

(4)

где ж — полная длина линии связи между антенной и входом усилителя высоких частот; е — диэлектрическая проницаемость подложки, на которой размещаются пассивные элементы входного узла (с.в.ч.-ключ, направленный ответвитель) и отрезки линий передачи сигналов; С0 — скорость света в вакууме; й/ — полоса частот принимаемых радиометром сигналов. Для сигнала С второе слагаемое в (3) определяет температуру собственных шумов, отраженных от разомкнутого с.в.ч.-клю-ча. Для того чтобы отсутствовали продукты интерференции для этого уровня сигнала, расстояние между ключом и входом усилителя должно быть больше или равно

5Мин = Со /2^ 4/. (5)

Согласно применяемой модификации метода нулевых измерений [9] математическая модель передаточной характеристики радиометра, по которой измеряемый сигнал антенны определяется через длительность управляющего широтно-им-пульсной модуляцией сигнала и на измерения не влияют изменения постоянной составляющей собственных шумов и коэффициента передачи, имеет вид

?шим = (С - ВКим/(А - В), (6)

где А, В и С — шумовые сигналы из (1)-(3). Разности данных шумовых сигналов соответственно составят

С - В: ТгшР

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»