МИКРОВОЛНОВЫЙ ОДНОКАНАЛЬНЫЙ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТР С ВОЛНОВЕДУЩИМ ЗОНДИРУЮЩИМ ТРАКТОМ
MICROWAVE SINGLE-CHANNEL RADIO INTERFEROMETER WITH WAVEGUIDE PROBING PATH

Изобретение относится к радиоэлектронной технике микроволнового диапазона и может быть использовано для измерения параметров быстропротекающих процессов движения различных материальных объектов, ударно-волновых и детонационных фронтов, плазмы.
Для этих целей широко применяются микроволновые радиоинтерферометры (РИ) отражательного типа с одним излучателем на выходе РИ для зондирования объекта и приема отраженного сигнала [1].
Известные одноканальные микроволновые РИ содержат приемо-передающее устройство (ППУ) с передающим каналом и приемным каналом, выполненное по схеме прямого детектирования либо по супергетеродинной схеме.
ППУ обеспечивает генерацию зондирующего излучения, прием и преобразование отраженного от движущегося исследуемого объекта сигнала в периодические напряжения, которые с выходов устройства подаются на систему регистрации.
Радиоинтерферометр имеет один микроволновый выход передающего канала, нагруженного на волноведущий зондирующий тракт для облучения объекта исследований и приема отраженного сигнала.
Ответвление принятого сигнала в канал приемника ППУ производится направленным ответвителем либо двойным Т-мостом на выходе передающего канала [1; 2; 3].
Недостатком таких радиоинтерферометров, имеющих совмещенный приемо-передающий микроволновый выход ППУ, является ограниченная развязка приемного канала от передающего, что приводит к ограничению чувствительности приемника и динамического диапазона измерений, фазовым шумам за счет паразитных переотражений на выходе передающего канала.
Кроме того, расположение объекта исследований в труднодоступных местах или при диагностике быстропротекающих процессов требует пространственного разнесения ППУ и объекта исследования на единицы-десятки метров и их связи гибким волноведущим зондирующим трактом.
С этой целью в зависимости от используемого диапазона длин волн могут применяться кабельный волноведующий зондирующий тракт в виде коаксиального кабеля [4] или в виде диэлектрического волновода [5].
Выполнение ППУ с раздельными микроволновыми выходами передающего и приемного каналов, характерное для РИ проходного типа [1], требует наличия волноведущего зондирующего тракта с излучателем для облучения объекта исследования и второго тракта с излучателем для приема отраженного сигнала. Такой вариант неприемлем для РИ отражательного типа, так как реализуемый бистатический режим зондирования некорректен при малых расстояниях от излучателей до объекта исследований.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является микроволновый одноканальный радиоинтерферометр, выбранный за прототип, содержащий в передающем канале до микроволнового приемо-передающего выхода ППУ направленный ответвитель для приема отраженного от объекта исследования сигнала и присоединенный к указанному приемо-передающему выходу передающего канала протяженный кабельный волноведущий тракт, зондирующий объект исследования [4].
Недостатками такого интерферометра, так же как и у аналогов, являются ограниченная развязка приемного от передающего канала и фазовые шумы, ограничивающие точность измерений за счет рассогласования импеданса на выходе передающего канала ППУ.
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность получения предельной развязки приемного и передающего каналов ППУ микроволнового РИ отражательного типа для увеличения чувствительности и динамического диапазона измерений радиоинтерферометра, снижения уровня фазовых шумов, что, в конечном счете, увеличивает точность измерения перемещения объектов.
Технический результат достигается тем, что в микроволновом одноканальном радиоинтерферометре с волноведущим зондирующим трактом, включающем приемо-передающее устройство, состоящее из приемного канала и передающего канала, направленного ответвителя для приема отраженного от исследуемого объекта сигнала и волноведущего зондирующего тракта, выполненного на диэлектрическом волноводе,  для зондирования объекта исследования и приема отраженного сигнала, приемо-передающее устройство имеет два микроволновых выхода, один из которых является выходом передающего канала, к которому присоединен волноведующий зондирующий тракт с диэлектрическим излучателем на конце, другой является микроволновым выходом приемного канала, к которому подключен диэлектрический волновод длиной не менее одного метра, который на конечном участке образует на распределенной связи с диэлектрическим волноводом  волноведущего зондирующего тракта направленный ответвитель для приема отраженного от исследуемого объекта сигнала.
На фиг.1 показан микроволновый одноканальный радиоинтерферометр с волноведущим зондирующим трактом. ППУ радиоинтерферометра представлено структурной схемой без детализации схемного решения.
На фиг.2 показан микроволновый одноканальный радиоинтерферометр с волноведущим зондирующим трактом. ППУ выполнено по супергетеродинной схеме.
На фиг.1 показан микроволновый одноканальный радиоинтерферометр с волноведущим зондирующим трактом. ППУ 1 радиоинтерферометра, которое может быть выполнено по схеме прямого детектирования или по супергетеродинной схеме, содержит передающий канал 2 с микроволновым выходом 3 и приемный канал 4 с микроволновым выходом 5. Между каналами ППУ 2 и 4 реализована внутренняя связь передачи опорного сигнала. К микроволновому выходу 3 передающего канала 2 подключен волноведущий зондирующий тракт 6, выполненный на диэлектрическом волноводе (ДВ) с диэлектрическим излучателем 7 на конце для зондирования объекта исследования и приема отраженного сигнала. К микроволновому выходу 5 приемного канала 4 подключен диэлектрический волновод 8 длиной не менее 1 м и образующий на конечном участке направленный ответвитель 9 на распределенной связи с диэлектрическим волноводом волноведущего зондирующего тракта 6.
На фиг.2 показан пример реализации микроволнового одноканального радиоинтерферометра, ППУ которого выполнено по супергетеродинной схеме.
ППУ 1 радиоинтерферометра содержит общий для передающего и приемного каналов кварцевый генератор 10, связанный с синтезаторами задающих частот 11 и 12 передатчика и гетеродина соответственно. Синтезаторы 11 и 12 связаны с блоками передатчика 13 и гетеродина 14, выполненными по схеме высокократного умножения.
Опорный канал радиоинтерферометра содержит смеситель 15, связанный с блоком передатчика 13 делителем мощности 16 и с блоком гетеродина 14 делителем мощности 17. Выход опорного смесителя 15 через делитель 18 связан с квадратурными фазовыми детекторами 19 и 20.
К микроволновому выходу 3 передающего канала ППУ, содержащего блок передатчика 13 и делитель мощности 16, подключен волноведущий зондирующий тракт 6, выполненный на диэлектрическом волноводе с диэлектрическим излучателем 7 на конце.
К смесителю 21 приемного канала ППУ, содержащему блок гетеродина 14 и делитель мощности 17 через микроволновый выход 5 подсоединен диэлектрический волновод 8 длиной не менее одного метра, который на конечном участке образует на распределенной связи с волноведущим зондирующим трактом 6 направленный ответвитель 9 для приема отраженного от исследуемого объекта сигнала. Одновременно к смесителю 21 подключен блок гетеродина 14 через делитель мощности 17, выход смесителя 21 приемного канала ППУ через делитель 22 связан с квадратурными фазовыми детекторами 19 и 20.
Микроволновый одноканальный радиоинтерферометр с волноведущим зондирующим трактом работает следующим образом.
В передающем канале 2 приемо-передающего устройства 1 радиоинтерферометра (фиг.1) формируется высокостабильный непрерывный сигнал, который с микроволнового выхода 3 поступает в протяженный зондирующий волноводный тракт 6, выполненный на ДВ с излучателем 7 на конце для зондирования объекта исследования и приема отраженного сигнала. Одновременно часть формируемого сигнала с передающего канала 2 поступает в приемный канал 4 в качестве когерентного опорного сигнала.
Благодаря приемлемым погонным потерям в ДВ (2 дБ/м в 3 мм диапазоне) длина зондирующего волноводного тракта 6 может быть до 10 м практически во всем микроволновом диапазоне, вплоть до субмиллиметровых волн. При такой длине и благодаря гибкости зондирующего тракта на ДВ возможно облучение и прием отраженного сигнала диэлектрическим излучателем 7 от объектов исследования в труднодоступных местах.
Диэлектрический излучатель 7 выполнен из того же диэлектрика, что и ДВ волноведущего зондирующего тракта 6 для обеспечения согласования, а форма излучателя 7 выбирается из условия формирования пучкового характера излучения.
В предложенном одноканальном радиоинтерферометре отражательного типа, в отличие от прототипа, ответвление отраженного сигнала в приемный канал 4 ППУ 1 осуществляется не в ППУ, а в направленном ответвителе 9, выполненном на распределенной связи диэлектрических волноводов волноведущего зондирующего тракта 6 и диэлектрического волновода 8, подключенного к микроволновому выходу 5 приемного канала 4 ППУ 1 радиоинтерферометра.
Благодаря высокой направленности ответвителей такого типа (более 30 дБ) и длине диэлектрического волновода 8 не менее одного метра, обеспечивается практически полная развязка (более 80 дБ) приемного от передающего канала ППУ радиоинтерферометра, снижение уровня шума за счет минимизации паразитных переотражений на выходе ППУ.
Микроволновый одноканальный радиоинтерферометр с волноведущим зондирующим трактом, ППУ которого выполнено по супергетеродинной схеме, работает следующим образом (фиг.2).
Термостабилизированный кварцевый генератор 10 с частотой 100 МГц синхронизирует синтезаторы 11 и 12, выполненные на частотах дециметрового диапазона (5÷8 ГГц). Сигналы с синтезаторов поступают на блоки передатчика 13 и гетеродина 14, выполненные по схеме высокократного умножения. Благодаря возможности выбора коэффициента умножения от 10 до 30 возможна реализация радиоинтерферометра до частот субмиллиметрового диапазона.
Часть сигналов с блоков передатчика 13 и гетеродина 14 через делители мощности 16 и 17 поступают на смеситель 15, образуя на его выходе сигнал опорной промежуточной частоты, который через делитель 18 поступает на фазовые детекторы 19 и 20. Одновременно сигнал гетеродина 14 после делителя 17 поступает на смеситель приемного канала 21. С выхода смесителя приемного канала 21 информационный сигнал поступает на делитель 22 и далее на фазовые детекторы 19 и 20, квадратурные сигналы с которых поступают в систему регистрации.
Сигнал с блока передатчика 13 через делитель мощности 16 поступает в волноведущий зондирующий тракт 6, выполненный на диэлектрическом волноводе. Благодаря приемлемым погонным потерям длина зондирующего тракта может быть до 10 м. При такой длине и гибкости зондирующего тракта возможно облучение объектов исследования в труднодоступных местах.
Волноведущий зондирующий тракт 6 оканчивается диэлектрическим излучателем 7, осуществляющим зондирование объекта исследования и прием отраженного сигнала.
Была проведена экспериментальная проверка макета радиоинтерферометра миллиметрового диапазона длин волн, выполненного по супергетеродинной схеме.
При измерении перемещений тестового объекта (металлической пластины) в диапазоне от 10 до 100 мм при длительности процесса движения ~ 20 мкс достигнута точность измерения перемещений ±0,05 мм. При аналогичных измерениях с применением радиоинтерферометра с одним приемо-передающим выходом точность измерений почти на порядок хуже (±0,4 мм).
Литература
1. Кох Б. Радиоэлектронные методы исследования быстропротекающих процессов / В кн. Физика быстропротекающих процессов. Перевод под ред. Златина Н.А., М.: МИР, 1971, т.1.
2. Поршнев С.В. Радиолокационные методы измерений экспериментальной баллистики/Екатеринбург: Ур О РАН, 1999, - 211 с.
3. Зарко В.Е., Вдовин Д.В., Перов В.В. Методические проблемы измерения скорости горения твердых топлив с использованием СВЧ-излучения/Физика горения и взрыва, 2000, т.36, №1, стр.68-78.
4. Мак-Колл, Бонджанни, Миранда. СВЧ-интерферометр для регистрации ударных и детонационных волн и движения вещества/Приборы для научных исследований, 1985, №8, стр.117-124.
5. Патент RU 2116047 С1, Храмцов П.А., Федоров В.А., Способ и устройство оценки состояния осанки человека.