Генератор опорных шумовых сигналов для миллиметровой радиометрии

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

УДК 615.471:616

ГЕНЕРАТОР ОПОРНЫХ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ МИЛЛИМЕТРОВОЙ РАДИОМЕТРИИ

Яненко А.Ф., Перегудов С.Н.

Электромагнитное излучение крайне высокой частоты (КВЧ) широко применяется в различных областях науки, техники и медицины. В последнее время наметилась стойкая тенденция снижения мощности используемых сигналов до уровня 10-10 Вт [1, 2]. Кроме того, регистрируемое при помощи радиометрических систем слабое излучение физических и биологических объектов в миллиметровом (мм-) диапазоне длин волн позволяет получить о них дополнительную информацию. Для повышения достоверности таких исследований, необходимы образцовые генераторы (эталоны) электромагнитного шума.

Однако значения мощности мм-излучения исследуемых объектов и известных первичных эталонов, как правило, сильно различаются, и для их сравнения требуются дополнительные устройства, что усложняет методику измерений и снижает их точность. Разработанный генератор эталонного шума [3] сопоставим по интенсивности мм-излучения с биологическими объектами, но его инерционность и достаточно большие габариты накладывают определенные пространственно-временные ограничения при проведении исследований электромагнитных свойств объектов в мм-диапазоне. Таким образом, актуальной представляется разработка портативного, менее инерционного генератора опорных шумовых сигналов.

Принцип работы и основные параметры генератора

Отличительной особенностью тепловых генераторов-эталонов является поддержание заданной температуры рабочего тела, которая соответствует определенному уровню мощности электромагнитного излучения в том или ином частотном диапазоне. В КВЧ-диапазоне рабочим телом является поглотитель волноводной согласованной нагрузки.

Основной вклад в погрешность установления излучаемой мощности вносят система регулировки температуры нагрузки и выходной тракт, обеспечивающий передачу электромагнитных волн между объектами разной температуры. Недостаточная точность и инерционность (до единиц минут) системы регулирования температуры являются сдерживающими факторами, ограничивающими их использование в автоматизированных быстродействующих радиометрических системах [4, 5].

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38

69

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

Авторами данной работы разработан и исследован тепловой генератор шумовых сигналов (рис. 1), состоящий из волноводной согласованной нагрузки 1, содержащей поглотитель (рабочее тело) 2. Нагревание его осуществляется при помощи инфракрасного (ИК-) излучения светодиода 3 (3Л107Б или аналог). Температура в этом случае определяется рабочим током диода, изменяющимся от 30 до 200 мА. Для обеспечения теплоизоляции рабочего тела применяется волновод из пластмассы с нанесенным внутри тонким слоем металла 4. Винт настройки 5 предназначен для согласования генератора с волноводным трактом радиометрической системы. В результате на выходе 6 генератора имеем заданный уровень мощности электромагнитного излучения.

Уравнения баланса мощностей в режиме термодинамического равновесия можно записать следующим образом

P0 = Prad + Pcond ,

где Р0 - мощность излучения светодиода 3, рассеиваемая в рабочем теле 2, Prad -мощность излучения рабочего тела в волноводный тракт; Pcond - тепловая мощность, рассеваемая в корпусе 1.

Величина P0 определяется коэффициентом серости материала рабочего тела в и мощностью ИК-излучения диода PIR, зависящей от его тока.

Р« = Р P,R

Значение Pcond можно найти из уравнения Фурье для изотермической поверхности теплоизолирующего слоя с коэффициентом теплопроводности X и градиентом температуры VT

Pend = X 0VT S0,

Рис. 1. Структурная схема генератора опорных сигналов

где S0 - общая поверхность контакта рабочего тела с волноводом.

В результате из уравнений (1-3) получаем

Prad = PP/R

С другой стороны согласно закону Стефана-Больцмана

Prad =°

8 2 4

где ст=5,67-10" Вт/(м -К ) - постоянная Стефана-Больцмана; Ті - температура рабочего тела; Т0 - температура окружающей среды; S - площадь излучающей поверхности.

Учитывая, что в данном генераторе Т1 и Т0 отличаются незначительно, их разность можно определить из (3) и (4) следующим образом

70

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

T - T * 4-T_ [PPUO-X.VT s0],

Для одномодового режима прямоугольного волновода с типом колебаний #ю с учетом (6) можно получить выражение для спектральной плотности мощности шума рассматриваемого генератора

S

p = A

где A(T0, в) и B(T0, А.) - некоторые функции, зависящие от температуры

окружающей среды и тепловых свойств рабочего тела и корпуса волновода, которые можно определить из уравнения (6).

Рис.2. Амплитудно-частотная (а) и регулировочная (б) характеристики генератора

Как следует из приведенного уравнения для увеличения динамического диапазона регулирования мощности предлагаемого генератора необходимо уменьшать соотношение поверхностей S0 /S и градиент температуры в теплоизолирующем корпусе устройства. На рис. 2 приведены амплитудночастотная характеристика (а) и зависимость спектральной плотности мощности излучения р от тока диода для частоты 52 ГГц (б). Там же показана зависимость PIR от тока I.

По оси ординат рис. 2а отложены относительные значения мощности генератора [3] (погрешность установки которой не превышает ±0,4%).

Предложенный генератор является малогабаритным устройством и обладает меньшей инерционностью, чем аналоги. Его выходная мощность генератора имеет неравномерность не более ±1 дБ в диапазоне частот от 41 до 54 ГГц и практически линейно зависит от тока диода, что повышает достоверность измерений, и дает возможность применять данный генератор в автоматизированных радиометрических системах. При неавтоматизированных измерениях можно добиться меньшей неравномерности характеристики (рис. 2а) при помощи настроечного

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 71

Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38

Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка

винта 6 (рис. 1). Генератор может применяться и как устройство для измерения собственного излучения твердых тел, в котором в качестве нагрузки 4 (рис. 1) используются исследуемые образцы.

Литература

1. Скрипник Ю. А., Яненко А. Ф., Манойлов В. Ф., Куценко В. П., Гимпиле-вич Ю. Б. Микроволновая радиометрия физических и биологических объектов. - Житомир: Волынь, 2003. - 406 с.

2. Ситько С. П., Скрипник Ю. А., Яненко А. Ф. Аппаратное обеспечение современных технологий квантовой медицины. - Киев: ФАДА ЛТД, 1999. - 200 с.

3. Skripnik Yu., Krasuk A., Manoylov V., Peregudov S., Yanenko A. Increased accuracy of measurement of high-sensitivity mm-range radiometric equipment intended for medical-biological application.//Proceedings of 10th IMEKO TC7 International Symposium June 30-July 2, 2004, Saint-Petersburg, Russia, - P. 143-148.

4. Красюк А.Д., Перегудов С.Н., Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф. Автоматизированная установка мм-диапазона для биомедицинских приложений // Вісник Технологічного університету "Поділля". Технічні науки. - 2004, № 2. - Т. 1, частина 1. - С. 176180.

5. Перегудов С.Н., Яненко А.Ф. Радиометрическая установка с автоматической регулировкой выходной мощности генератора эталонного шума // Вісник Хмельницького Національного університету. - 2005, № 4. - Т. 1, частина 1,- С. 131-134.

Яненко О.П., Перегудов С.М. Генератор опорних шумових сигналів для міліметрової радіометрії Розглядається тепловий хвилевідний генератор стохастичних сигналів, в якому необхідна температура робочого тіла підтримується за допомогою джерела інфрачервоного випромінювання.

Ключові слова: генератор, хвилевід, інфрачервоне випромінювання, міліметровий діапазон хвиль____________________________________________________________________

Яненко О.П., Перегудов С.М. Генератор опорных шумовых сигналов для миллиметровой радиометрии Рассматривается тепловой генератор шума, в котором температура рабочего тела поддерживается при помощи источника инфракрасного излучения.

Ключевые слова: генератор, волновод, инфркрасное излучение, милиметровый диапазон волн.______________________________________________________________________

Yanenko A. F., Peregudov S.N. Reference noise generator for millimetric radiometry The thermal waveguide generator of noise signals, in which the temperature of source is supported through the infra-red diode radiation, is considered.

Kee words: generator wave guide, infrared rays, millimetric band_______________

72

Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38