ПРИЁМО-ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФАЗОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
TRANSCEIVING DEVICE FOR PHASE-METRIC SYSTEMS OF MILLIMETRE WAVELENGTH RANGE

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности микроволновой интерферометрии, и может быть использовано для дистанционного измерения перемещения, мгновенной скорости, ускорения, спектра вибраций различных объектов, динамики показателя преломления исследуемой среды и тому подобных характеристик динамических процессов различной природы.
Известно большое количество фазометрических систем, созданных во второй половине XX века, например, GB 1013667 А, 1965-12-15; GB 1345520 А, 1974-01-30; US 4359683 А, 1982-11-16; SU 1250922 A1, 1986-08-15; SU 1315804 A1, 1987-06-07; SU 1760458 A1, 1992-09-07; DE 4300949 C1, 1994-05-26; CN 2374858 Y, 2000-04-19; JP 2000266692 A, 2000-09-29. По мере развития СВЧ-техники конструктивные и схемотехнические решения, использованные в этих системах, совершенствовались, уменьшалась длина волны зондирующего излучения, повышалась точность измерения. Современный уровень разработок фазометрических систем описан в (Состояние и перспективы развития микроволновой радиоинтерферометрии для диагностики газодинамических процессов / А.Л. Михайлов и др. // Тезисы докладов международной конференции «15 Харитоновские тематические научные чтения. Экстремальное состояние вещества. Детонация. Ударные волны», Саров, 2013, - с.353-354).
Известно устройство, близкое по конструкции к формуле заявляемого изобретения, (Малогабаритный рефлектометр для измерения комплексного коэффициента отражения / Ю.И. Орехов, Б.И. Зябов, С.Д. Якухин, А.Б. Тихонов // Всесоюзный симпозиум по ММ и СубММ волнам. - Тезисы докладов. Харьков, 1978. - Т.1. - С.135-136). Оно состоит из генератора непрерывного зондирующего излучения миллиметрового диапазона длин волн, подключенного к приемо-передающей антенне с помощью диэлектрического волновода, двух ответвителей, выполненных из отрезков диэлектрических волноводов, к выходам которых подключены два амплитудных детектора.
Недостатком устройства является низкая точность фазовых измерений, связанная с использованием в качестве чувствительных элементов амплитудных детекторов, преобразованием зондирующего сигнала непосредственно в базовую полосу частот и отсутствием компенсации собственных фазовых шумов генератора.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является устройство для дистанционного измерения перемещения и скорости фазометрическим методом, работающее в миллиметровом диапазоне длин волн и описанное в (Hongxing Zheng. A displacement and velocity measurement technique using millimeter-wave sensor // International journal of Infrared and millimeter waves. 2005. - V.26. - №9. P.1277-1290. DOI: 10.1007/sl0762-005-7603-8). Устройство состоит из генератора непрерывного зондирующего излучения миллиметрового диапазона длин волн, двухканального приемного устройства для измеряемого и опорного сигналов супергетеродинного типа с балансными смесителями и реализованными в виде цифрового устройства квадратурными фазовыми детекторами, рупорной приемо-передающей антенны, волноводного тракта. Волноводный тракт выполнен из полых металлических волноводов. В его состав входят: волновод, соединяющий генератор зондирующего излучения с антенной через делитель мощности на два, направленный ответвитель, отводящий часть зондирующего излучения на вход первого смесителя, волновод, соединяющий третий выход делителя мощности с входом второго смесителя.
Недостатком прототипа является сложность конструкции и большие затраты на его производство.
Технический результат от использования заявляемого изобретения - упрощение конструкции волноводного тракта и приемо-передающего устройства в целом для фазометрической системы миллиметрового диапазона длин волн.
Технический результат достигается тем, что в приемо-передающем устройстве для фазометрических систем миллиметрового диапазона длин волн, содержащем генератор непрерывного зондирующего излучения, гетеродин, два смесителя, передающую и приемную антенны и волноводный тракт, волноводный тракт выполнен в виде трех диэлектрических волноводов: волновода, соединяющего генератор непрерывного зондирующего излучения и передающую антенну, волновода, соединяющего приемную антенну и вход одного смесителя, волновода, расположенного между упомянутыми волноводами, имеющего криволинейную форму и соединяющего гетеродин с другим смесителем, при этом смесители выполнены по схеме с одним входом и соединены через квадратурный фазовый детектор с блоком цифровой обработки.
Заявляемое приемо-передающее устройство поясняется структурной схемой, изображенной на фиг. 1 и 2.
Приемо-передающее устройство для фазометрических систем миллиметрового диапазона длин волн состоит из генератора 1 непрерывного зондирующего излучения миллиметрового диапазона длин волн, гетеродина 2, двух смесителей 3, 4, передающей 5 и приемной 6 антенн, волноводного тракта 7. Волноводный тракт 7 выполнен в виде трех 8, 9, 10 отрезков диэлектрических волноводов. В его состав входят: волновод 8, соединяющий генератор 1 зондирующего излучения с передающей антенной 5, волновод, соединяющий приемную антенну 6 со вторым смесителем 4, и волновод 10, соединяющий выход гетеродина 2 со входом первого смесителя 3. Смесители 3, 4 выполнены по схеме с одним входом и соединены через квадратурный фазовый детектор 11 с блоком цифровой обработки 12.
Приемо-передающее устройство для фазометрических систем миллиметрового диапазона длин волн работает следующим образом.
Создаваемое генератором 1 зондирующее излучение по волноводу 8 поступает на передающую антенну 5 и излучается в окружающее пространство. Распространяясь через исследуемую среду или отражаясь от исследуемого объекта, зондирующее излучение приобретает фазовый сдвиг, несущий информацию об исследуемом объекте, и принимается приемной антенной 6. Принятый сигнал по волноводу 9 поступает на вход смесителя 4. Сигнал гетеродина 2, распространяясь через начальный участок волновода, область связи волноводов 9 и 10 и конечный участок волновода 9, также поступает на вход смесителя 4, испытывая при этом значительное ослабление в области связи волноводов 9 и 10. Сигнал гетеродина 2, распространяясь через волновод 10, поступает на вход смесителя 3, испытывая при этом значительное ослабление на криволинейных участках волновода. Одновременно, часть зондирующего излучения генератора 1, распространяясь через начальный участок волновода 8, область связи волноводов 8 и 10 и конечный участок волновода 10, также поступает на вход смесителя 3, испытывая при этом значительное ослабление в области связи волноводов 8 и 10. Выходной сигнал (b) смесителя 4 на промежуточной частоте поступает на сигнальный вход квадратурного фазового детектора 11, а выходной сигнал (а) смесителя 3 - на вход опорного сигнала квадратурного фазового детектора 11. На выходе квадратурного фазового детектора 11 формируются две квадратурные компоненты комплексной огибающей сигнала, поступающего от исследуемого объекта, с подавленными взаимными фазовыми шумами генератора 1 и гетеродина 2. В блоке цифровой обработки 12 производится последующая обработка комплексного сигнала, извлекается информация об измеряемых параметрах исследуемого объекта.
Генератор 1 и гетеродин 2 могут быть выполнены в виде твердотельных генераторов миллиметрового диапазона длин волн, например на диодах Ганна или ЛПД-диодах. Смесители 3 и 4 могут быть выполнены в виде детекторных секций на диодах с барьером Шоттки с интегрированными предварительными усилителями промежуточной частоты. Передающая и приемная антенны 5 и 6 могут быть выполнены, например, в виде диэлектрического конуса (RU 2485644 C1, 2013-06-20). Диэлектрические волноводы 8, 9, 10 могут быть выполнены из диэлектрика с малыми потерями в рабочем диапазоне длин волн, например из фторопласта-4, в виде отрезков прямоугольного поперечного сечения, расположенных в одной плоскости в толще диэлектрического материала с малым показателем преломления, например, в пенополистироле низкой плотности. Соединение активных элементов ППУ с диэлектрическими волноводами может быть выполнено с помощью специально разработанных волноводных переходов. Оптимальные параметры волноводного тракта 7 определяются рабочей длиной волны, мощностью генераторов, чувствительностью смесительных диодов и задаются формой и взаимным расположением трех отрезков диэлектрических волноводов. Квадратурный фазовый детектор 11 может быть выполнен в виде аналогового или цифрового устройства. Блок цифровой обработки 12 может представлять собой аналогово-цифровой преобразователь.
В предлагаемом приемо-передающем устройстве для фазометрических систем миллиметрового диапазона длин волн волноводный тракт приемо-передающего устройства выполнен в виде трех отрезков диэлектрических волноводов, а вместо балансных смесителей используются однодиодные смесители с общим входом для измеряемого сигнала и сигнала гетеродина.
Конструкции пассивных волноводных узлов и технология производства для диэлектрических волноводов существенно проще, чем для полых металлических волноводов. Затраты на производство волноводного тракта и в целом приемопередающего устройства существенно снижаются при переходе на диэлектрические волноводы. Кроме того, в миллиметровом диапазоне длин волн потери электромагнитной энергии в диэлектрических волноводах не больше, а при уменьшении длины волны зондирующего излучения и меньше, чем в полых металлических волноводах (Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы / В.Ф. Взятышев. - М.: Сов. радио, 1970. - 210 с.; Unger H.-G. Planar optical waveguides and fibres / H.-G. Unger. - Oxford: Claredon Press, 1977. - 752 p.). Применение одновходовых смесителей вместо балансных не ухудшает шумовые характеристики приемо-передающего устройства в связи с тем, что в миллиметровом диапазоне длин волн полностью отсутствуют внешние помехи, а взаимные фазовые шумы генератора зондирующего излучения и гетеродина полностью подавляются при квадратурном фазовом детектировании сигнала на промежуточной частоте.
Таким образом, предлагаемое изобретение при сохранении характеристик потерь, ответвления и деления сигналов в волноводном тракте имеет более простую конструкцию волноводного тракта и приемо-передающего устройства в целом для фазометрической системы миллиметрового диапазона длин волн, что позволяет снизить затраты на производство.