ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МОДУЛЯЦИОННЫЙ РАДИОМЕТР

Полезная модель относится к области приема шумовых сигналов в диапазоне СВЧ, в частности - к радиоастрономическим приборам, и может использоваться в радиометрической аппаратуре, предназначенной для приема и регистрации весьма слабых (много ниже уровня собственных шумов приемной системы) широкополосных сигналов космических источников радиоизлучения. Все известные радиоастрономические радиометры содержат широкополосный приемно-усилительный тракт с квадратичным детектором на выходе и узкополосный измерительные тракт с измерителем напряжения на выходе. Это напряжение несет информацию об энергетическом уровне (мощности, шумовой температуре) принимаемого сигнала.
Максимальную чувствительность и точность имеют модуляционные радиометры, в которых в течение одного полупериода модуляции широкополосный тракт усиливает сигнал, представляющий собой смесь исследуемого сигнала, принимаемого антенной, и собственных шумов приемной системы, а в течение другого полупериода - опорный шум, генерируемый шумовым генератором, который подключается на вход широкополосного тракта. При этом с помощью синхронного детектора в измерительном тракте вырабатывается напряжение, пропорциональное разности энергетических уровней указанных сигналов. Поскольку уровень опорного шума устанавливается равным уровню собственных шумов приемной системы, величина выходного напряжения радиометра оказывается пропорциональной мощности исследуемого сигнала (см., например, статью А.В. Berlin, G.M. Timoieeva, N.A. Nizhelsky, A.V. Bogdantsov, O.M. Pylypcnko, V.M. Chmil, Yu. N. Meshkov, A.N. Zdor. MARS (Matrix Radiometric System) Project. Astron&Astrophys. Transactions, 2000, vol.19, 3-4, pp.558-565, или книгу Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Марийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. М.1973.).
При необходимости одновременного приема сигналов обеих ортогональных поляризаций (либо круговых, либо линейных) используются двухканальные радиометры, в которых каждый канал строится по указанному принципу (см., например, статью Д.В. Иванов и др. Приемники радиоинтерферометрической сети КВАЗАР. Труды ИПА РАН, вып.2, «Техника радиоинтерферометрии». С-Петербург. 1997.).
Наиболее близким по назначению и технической сущности устройством является модуляционный радиометр, содержащий входной поляризационный селектор и два радиометрических канала (см., например, публикацию «Радиометр РАТАН-600 λ=6,3 см», www.sao.ru/hg/lrk/ind2.html). Каждый радиометрический канал содержит последовательно
соединенные входной направленный ответвитель и широкополосный усилительный тракт с амплитудным модулятором на входе и квадратичным детектором на выходе. Через упомянутый направленный ответвитель на вход каждого канала подключен соответствующий модулируемый генератор шума. Модулирующее напряжение на генераторы шума и амплитудные модуляторы в обоих каналах подается с генератора меандра. На выход каждого широкополосного тракта подключен обычный узкополосный измерительный тракт с синхронным детектором, который выполняется по известной схеме (см., например, книгу Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н., Радиотелескопы и радиометры, М., 1973, статью А.В. Ипатов, А.Б. Берлин, Низкочастотное выходное устройство радиоастрономического приемника с синхронным интегратором. Известия ВУЗов, Радиофизика, 1973, том XVI, №5, с.712-715; статью Д.А. Маршалов, Измерительный канал радиометра с цифровым синхронным детектором, Сообщения ИНА РАН, №166, СНб, 2004). На синхронный детектор в каждом узкополосном тракте подается управляющее напряжение с указанного выше генератора меандра.
В каждом радиометрическом канале в течение одного полупериода модулирующего меандра шумовой генератор отключен, а амплитудный модулятор пропускает сигнал практически без ослабления. При этом на синхронный детектор воздействует напряжение, создаваемое исследуемым сигналом и собственным шумом приемной системы радиотелескопа. В течение второго полупериода модуляции амплитудный модулятор в М раз, где М много больше ), уменьшает усиление широкополосного тракта, чтобы свести к минимуму влияние принимаемого сигнала и собственного шума приемной системы. На вход широкополосного тракта в этот полупериод модуляции подается опорный шум, уровень которого в М раз выше уровня собственного шума приемной системы радиотелескопа. В результате на синхронный детектор узкополосного тракта воздействует напряжение, создаваемое практически только опорным шумом, причем уровень этого напряжения равен уровню, который в течение предшествующего полупериода модуляции создавал собственный шум приемной системы (без исследуемого сигнала). Синхронный детектор сравнивает воздействующие на него напряжения и вырабатывает сигнал, пропорциональный их разности. Если в антенне, а, значит и на входе канала, не наводится исследуемый сигнал, то в разные полупериоды модуляции на синхронный детектор воздействуют одинаковые напряжения и выходное напряжение радиометра равно нулю. При появлении исследуемого сигнала в антенне это равенство нарушается и на выходе синхронного детектора появляется напряжение, пропорциональное мощности (шумовой температуре) сигнала.
Каждый канал радиометра работает по сигналу какой-либо одной поляризации. Для поляризационных измерений и более глубоких радиоастрономических исследований применяют два одинаковых радиометрических канала, которые подключаются к антенне радиотелескопа через поляризационный селектор - устройство, разделяющее сигналы пары ортогональных поляризаций (либо двух круговых, как в указанном прототипе, либо двух линейных).
Недостатком известного поляризационного радиометра является влияние модуляции шумового генератора в одном канале на результаты измерений в другом канале вследствие ограниченной величины развязки выходов поляризационного селектора. Особенно сильно это проявляется в широкополосных радиометрах (с полосами в несколько сотен MГц), которые должны регистрировать сигналы в несколько тысяч раз (минус 37-40 дБ) ниже уровня собственных шумов приемной системы. При воздействии на вход одного из каналов сильных импульсов опорного шума, которые в М раз выше собственных шумов приемной системы, часть мощности этих импульсов через поляризационный селектор попадает во второй канал. В результате нулевой уровень отсчета во втором канале смещается, причем это смещение зависит от соотношения фаз модулирующих сигналов в каналах и может изменяться во времени. Это ведет к снижению точности измерений, особенно при исследовании наиболее слабых сигналов.
Целью заявляемой полезной модели является устранение смещения нулевого уровня отсчета сигнала в каждом канале двухполяризационного радиометра при модуляции опорного шума в другом канале. Эта цель достигается тем, что в двухполяризационном модуляционном радиометре (фиг.1), содержащем входной поляризационный селектор (1), два радиометрических канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные входной направленный ответвитель (2 и 3), широкополосный тракт (4 и 5) с амплитудным модулятором (6 и 7), узкополосный тракт (8 и 9) с синхронным детектором (10 и 11), и модулируемый генератор шума (12 и 13), подключенною к соответствующему направленному ответвителю, и один на два канала генератор меандра (14) оба канала модулируются одинаковыми по форме меандрами напряжения, но сдвинутыми по фазе один относительно другого на 90 градусов. Для этого генератор меандра работает на удвоенной частоте модуляции, а модулирующее напряжение меандра в один канал подается через делитель частоты на два (15), а в другой канал - через инвертор фазы (16) и делитель частоты на два (17). При этом мощность каждого импульса шумовой помехи, проникшего из чужого канала, в рассматриваемом канале делится по времени на две одинаковые части (фиг.2): одна часть добавляется к исследуемому сигналу, а другая - к опорному шуму. В синхронном детекторе эти
помеховые добавки взаимно компенсируются и практически не влияют на выходное напряжение радиометра.
Для реализации предлагаемого радиометра используется обычное штатное оборудование радиотелескопа: поляризационный селектор, направленные ответвители, широкополосные приемно-усилительные тракты с амплитудными модуляторами и квадратичными детекторами на выходах, модулируемые генераторы шума, узкополосные усилительные тракты с синхронными детекторами. Например, в разработанном авторами радиометре используются элементы СВЧ приемного комплекса радиотелескопа РТФ-32 обсерватории «Светлое», описанные в статье: А.В. Ипатов, Н.Е. Кольцов, А.В. Крохалев, Радиометрическая система радиотелескопа РТФ-32, Приборы и техника эксперимента, 2005, №4, с. 1-10. В широкополосных трактах использованы модуляторы, выполненные на ферритовых циркуляторах и коммутируемых широкополосных аттенюаторах 0дБ/10дБ. На выходах широкополосных трактов установлены квадратичные детекторы на СВЧ диодах типа 2А201А. Узкополосный тракт реализуется по классической схеме с синхронным детектором, выполненным, например, на микросхемах К574КП1 и операционных усилителях типа К140УД26А. Генератор меандра выполнен на микросхемах АТ89С55 и М81С55.
Новыми устройствами, введенными в двухполяризационный радиометр, являются делители частоты на два и инвертор фазы. Они реализуются на обычных цифровых микросхемах, например серии КР1554. Указанные устройства были изготовлены в виде отдельной приставки, что дало возможность авторам провести испытания макета предлагаемого радиометра на радиотелескопе РТФ-32 в обсерватории «Светлое», не останавливая проводимые плановые наблюдения. Испытания показали практически отсутствие влияния модулированного опорною шума в одном канале на смещение нулевого уровня отсчета сигнала в другом канале радиометра, что позволило вплотную приблизиться к предельной чувствительности радиотелескопа РТФ-32 в радиометрическом режиме. За счет устранения флюктуации нулевого уровня отсчета сигнала в 2,5 раза снижена вероятность ложных тревог при обнаружении весьма слабых (на уровне предельной чувствительности) сигналов космических радиоизлучении.