ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 1, с. 67-72
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.396.9
МИКРОВОЛНОВЫЙ ЧЕТЫРЕХКАНАЛЬНЫЙ НУЛЕВОЙ РАДИОМЕТР L-ДИАПАЗОНА © 2012 г. А. В. Филатов, А. В. Убайчин, Д. Е. Параев
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 40 Поступила в редакцию 10.05.2011 г.
Рассмотрен принцип построения многоканальных радиометрических систем, основанный на нулевом методе измерений. Описан четырехканальный (четырехприемниковый) микроволновый радиометр дециметрового диапазона длин волн, в котором используются два вида импульсной модуляции — амплитудная и широтная. Рассмотрен процесс его внутренней калибровки по двум эталонам. Радиометр обладает в два раза более высокой флуктуационной чувствительностью, чем одноканальная схема, и большей надежностью.
В [1, 2] рассмотрен двухканальный радиометр, в основу работы которого положена модификация метода нулевого приема [3]. Авторегулирование нулевого баланса в каналах радиометра осуществляется с применением синхронно выполняемых широтной и амплитудной импульсных модуляций. В результате между длительностью управляющего широтно-импульсной модуляцией сигнала и сигналом антенны устанавливается линейная связь и радиометр инвариантен к изменениям коэффициента усиления канальных трактов и постоянной составляющей их собственных шумов.
Многоканальными (многоприемниковыми) схемами решаются задачи повышения чувствительности и динамических свойств радиометров [4]. Если организовать работу измерительных каналов в одной полосе приема параллельно, то чувствительность совокупной системы повышается пропорционально корню квадратному из числа каналов. В другом случае при необходимости выполнить спектральные измерения в реальном масштабе времени каналы функционируют одновременно в различных полосах приема.
На рис. 1 представлена структурная схема многоканального микроволнового радиометра, с которой решается задача повышения флуктуацион-ной чувствительности при работе радиометра в режиме нулевых измерений. Радиометр состоит из антенны А, входного блока, N идентичных измерительных каналов, микроконтроллера. Входной блок содержит направленный ответвитель НО, в котором к сигналу антенны Та добавляется опорный сигнал Тдоп из канала подшумливания, состоящего из управляемого источника тока УИТ, генератора шума ГШ, аттенюатора Атт и высокочастотного ключа Кл. В последнем происходит широтно-импульсная модуляция сигнала
генератора шума по поступающему с выхода микроконтроллера управляющему сигналу ?шим.
С выхода направленного ответвителя сигнал антенны и модулированный сигнал генератора шума проходят на вход высокочастотного селектора ВС, в котором данные сигналы подвергаются амлитудно-импульсной модуляции по сигналам 4им микроконтроллера. Выходы ВС соединены с входами п ферритовых циркуляторов Ц.
Вторые входы циркуляторов нагружены согласованными нагрузками СН. Тепловое излучение согласованных нагрузок является вторым опорным сигналом Топ. Подогрев согласованных нагрузок осуществляется с помощью локальных термостатов ЛТ. Регулировка температуры осуществляется в процессе калибровки радиометра занесением в ЛТ цифровых кодов по интерфейсу с микроконтроллера.
Второй опорный сигнал Тдоп регулируется двумя способами: изменением тока УИТ, протекающего через активную зону полупроводникового ГШ, и изменением поглощения в аттенюаторе Атт.
Идентичные измерительные каналы состоят из радиометрических приемников с усилением сигналов по высокой и низкой частотам и квадратичным детектированием. После низкочастотной фильтрации в синхронных фильтрах СФ сигналы через схемы исключения постоянной составляющей СИПС поступают на входы аналоговых компараторов К, работающих в режиме нуль-органа (вторые входы компараторов соединены с общей точкой схемы радиометра). Следовательно, компараторами определяется полярность напряжения. Выходные сигналы всех измерительных каналов в логических уровнях поступают на п входов микроконтроллера.
Работа радиометра иллюстрируется временными диаграммами на рис. 2. Как было показано
67
5*
Рис. 1. Структурная схема многоканального радиометра нулевого метода измерений. А — антенна; НО — направленный ответвитель; Кл — в.ч.-ключ; Атт — аттенюатор; ГШ — генератор шума; УИТ — управляемый источник тока; ВС — в.ч.-селектор; Ц — ферритовый циркулятор; СН — согласованная нагрузка; ЛТ — локальный термостат; СФ — синхронный фильтр; СИПС — схема исключения постоянной составляющей; К — компаратор.
выше, во входном блоке радиометра синхронно выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Амплитудно-импульсная модуляция сигнала антенны и генератора шума происходит в высокочастотном селекторе по управляющим сигналам /аим микроконтроллера (рис. 2а). Широтно-импульсная модуляция сигнала генератора шума выполняется в высокочастотном ключе Кл по управляющему сигналу /шим (рис. 2б): к сигналу антенны в направленном от-ветвителе НО добавляется из канала подшумлива-ния опорный сигнал
Тдоп = [Тгша + То(1 - а)]в + То(1 - в) - То, (1)
где Тгш — эффективная температура выходного сигнала генератора шума; Т0 — физическая температура платы, на которой установлены НО и Атт;
в — коэффициент передачи направленного ответ-вителя; а — коэффициент передачи аттенюатора.
Подключение к антенне каждого из приемных каналов выполняется по принципу временного разделения. В высокочастотном селекторе тракт антенны последовательно подключается на входы каналов, начиная с первого. В любой момент времени подключенным оказывается только один канал на одинаковое для всех каналов время /аим и в этом промежутке выполняется широтно-импульсная модуляция выбранного канала. Таким образом, период повторения сигнала управления амплитудно-импульсной модуляцией составляет я/аим. В остальное время, когда канал не подключен к антенне, стабильный шумовой сигнал Топ согласованной нагрузки отражается от закрытого
микроволновый четырехканальныи нулевой радиометр
69
В
х о
д
к о м п
а р
а т
о р
а
Канал 1 0
Канал 2
к-
! гаим | \<-*
(П - 1)^а
Канал 1
Канал 2
Канал N _
К 1-4
ГШ
Антенна
ГЛг
Канал N 0
->'<-!—
т + т
± а 1 ±доп
Согласованная нагру
Чч^ V
«л^ А^
Й-й
зка
ГЛг
л
(а)
г
(б)
(в)
Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип функционирования многоканального радиометра.
ключа селектора и через циркулятор поступает на вход приемника. Таким образом, накопление опорного сигнала согласованной нагрузки для каждого канала возрастает в п раз.
Дополнительной широтно-импульсной модуляцией устанавливается нулевой баланс в приемных каналах радиометра, когда минимизировано влияние на точность измерений изменений коэффициентов передачи измерительных трактов каналов и составляющих канальных собственных шумов. Через эту длительность управляющего широтного сигнала /шим определяется антенный сигнал Та по следующей формуле [5]:
Т = Т — Т
а оп доп
( гшим/^аим ). (2)
Значения максимального и минимального сигналов антенны находятся из формулы (2) подстановкой в нее длительностей гшим, равных соот-
: Т
А' л Я
= Т
1 П1
ветственно нулю и длительности 4им- - а макс - - ош Тдоп. Следовательно, верхняя граница
Т = Т
* а мин * оп
диапазона измерения определяется температурой согласованной нагрузки циркулятора, нижняя — сигналом генератора канала подшумливания входного устройства радиометра. Настройкой выходного сигнала генератора шума на значение Тдоп = Топ можно измерять сигналы антенны от нуля градусов термодинамической шкалы Кельвина.
г
г
г
шим
оп
0
г
г
Кроме управления модуляцией во входном блоке микроконтроллер также управляет работой синхронных фильтров в каналах. Синхронный низкочастотный фильтр состоит их трех конденсаторов (по числу коммутируемых на вход приемника канала сигнальных уровней, рис. 2в) и общего сопротивления (интегрирующая ЯС-цепь). В любой момент времени к общей точке радиометра подключается через электронный ключ только один из трех конденсаторов, который фильтрует соответствующий уровень сигнала. Постоянная времени цепи т выбирается из условия т = (10-20)4им.
Схема исключения постоянной составляющей СИПС представляет собой фильтр высоких частот первого порядка (разделительная СЯ-цепь), постоянная времени которой выбирается равной т цепи синхронного фильтра.
Как следует из описанного принципа работы многоканальной системы, время накопления опор-
ного сигнала согласованной нагрузки в каждом канале возрастает и становится равным ^им(п - 1). Для заметного сглаживания флуктуирующей компоненты шумового опорного сигнала постоянную времени т цепи синхронного фильтра, накапливающей сигнал согласованной нагрузки, необходимо увеличить в (я - 1) раз соответствующим увеличением емкости конденсатора. При увеличении времени наблюдения опорного сигнала его постоянная составляющая согласно закону больших чисел становится слабо шумящей, что подобно работе компенсационного радиометра (радиометра полной мощности, обладающего самой высокой чувствительностью среди различных схем), в котором происходит сравнение с нешумящим источником - источником образцового напряжения.
Тогда флуктуационная чувствительность ДТа всей измерительной многоканальной системы возрастает в количество раз, равное корню квадратному из числа каналов [6]:
дт. =
В 4п
в =
УТоп (Топ + Тдоп + 4Тш) + 27Щ Та (Тл + Тд0п 2Топ)
\j2df тЯ
(3)
где ё/ - полоса принимаемых радиометром частот; Тш - эффективные температуры собственных шумов идентичных приемников; Я - количество цифровых кодов антенного сигнала, накопление и усреднение которых происходит в микроконтроллере.
На рис. 3 приведена принципиальная схема входного узла радиометрической системы на длину волны 21 см, содержащая четыре канальных приемника и построенная по принципу многоканальной схемы, изображенной на рис. 1. Во входном блоке амплитудная и широтная импульсные модуляции выполняются в соответствующих схемах М1 и М3 высокочастотных ключей неотражательного типа.
Направленный ответвитель М2 выполнен на микрополосках с коэффициентом свя
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.