РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ
RADIOMETRIC MEASUREMENT OF COEFFICIENT OF REFLECTION IN BROADBAND FREQUENCY

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться при определении отражательных свойств искусственных и естественных покрытий и материалов различных конструкций, в ходе калибровки тепловых широкоапертурных излучателей для обеспечения единства измерений радио-яркостных температур космических и земных объектов, для оценки параметров трехкомпонентной среды кожа-жир-мышцы биологической ткани в медицинских приложениях и т.д.
Известен радиометрический измеритель коэффициента отражения, выбранный в качестве прототипа [Пат. 2439595 РФ, G01R 29/08. Радиометрический измеритель коэффициента отражения / Филатов А.В., Убайчин А.В., Розина Е.И. - Заявка 2010 132 764/28. - Приоритет от 04.08.2010. - БИ. 2012. №1], в состав которого входят (фиг. 1) антенна 1, первый 2 и второй 4 направленные ответвители, СВЧ- переключатель 5, генератор шума 6, источник тока 7. Измерительный канал состоит из радиометрического приемника 8, синхронного фильтра низких частот 9, фильтра высоких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, с первого выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.
Опорный сигнал генератора шума 6 через СВЧ- переключатель 5 поступает на вторые входы идентичных направленных ответвителей. Включение первого 2 и второго 4 направленных ответвителей выполнено так, что для первого ответвителя сигнал генератора шума поступает на антенну 1, для второго - на вход радиометрического приемника 8. Опорный сигнал вырабатывается полупроводниковым генератором шума с применением лавинно-пролетного диода, через активную зону которого протекает ток источника 7. СВЧ-переключатель 5 состоит из трех высокочастотных ключей. Переключатель работает в режиме селектора. В зависимости от управляющих сигналов коммутируется только один ключ и тем самым сигнал генератора шума поступает только на один из трех выходов СВЧ- переключателя. В промежутки времени, когда сигнал генератора шума не должен поступать в направленные ответвители, через третий ключ СВЧ-переключателя выход генератора шума коммутируется на согласованную нагрузку 3.
На входе измерительного канала установлен радиометрический широкополосный приемник 8 с линейной передаточной характеристикой, включающий высокочастотный усилитель, полосовой фильтр, квадратичный детектор, выделяющий огибающую сигналов модуляции, усилитель низких частот. Следующий элемент измерительного канала, синхронный фильтр низких частот 9 производит предварительную фильтрацию сигнала, уменьшает флуктуационную компоненту в продетектированной огибающей и тем самым исключает перегрузку компаратора 11. Фильтр высоких частот 10 собран по схеме однозвенного фильтра первого порядка (представляет собой разделительную CR-цепь) с частотой среза много меньшей частоты модуляции в радиометре, и предназначен для устранения в сигнале постоянной составляющей. В результате на выходе фильтра выделяется переменная составляющая сигнала с минимальными искажениями формы импульсов.
аим
шим
аим
шим
аим
гш
В измерителе синхронно выполняются два вида импульсной модуляции: амплитудная и широтная. Для этого в цифровом блоке управления 12 формируются два управляющих логических сигнала с длительностями t и t. Сигнал для амплитудно-импульсной модуляции длительностью t имеет форму меандра, сигнал для широтно-импульсной модуляции длительностью t изменяется от нуля до t. Модуляции подвергается сигнал генератора шума с эффективной температурой шумов T. Автоматической регулировкой длительности широтного сигнала в измерителе настраивается нулевой баланс на входе радиометрического приемника:
где β - коэффициент переходного ослабления направленного ответвите-ля, R - коэффициент отражения по мощности в месте приложения антенны к объекту исследования; k - постоянная Больцмана; Δf - полоса рабочих частот измерителя. В это равенство не входят сигналы, первый из которых поступает через антенну от объекта исследования, а второй формируется из собственных шумов измерителя. Они не подвергаются модуляции и в ходе дальнейшей последетекторной обработки исключаются.
Из (1) определяем коэффициент отражения на границе антенны с объектом, который связан с длительностью широтно-импульсного сигнала линейным соотношением:
Когда измеритель сбалансирован на измерения не влияют изменения коэффициента передачи радиометрического приемника (нулевой баланс) и его показания не зависят от дрейфа и низкочастотных флуктуаций сигнала генератора шума. Основное требование к этому сигналу заключается в том, что он должен сохранять свои параметры на периоде амплитудно-импульсной модуляции.
При выводе (2) использовался метод абстрагирования, когда элементы, используемые во входном узле измерителя, такие как антенна, направленные ответвители, считались идеальными и пренебрегались потери, возникающие в соединении антенны с направленным отвевителем. Поэтому, к достоинству данной схемы измерителя коэффициента отражения (прототипа) можно отнести то, что после изготовления он не требует калибровки, а к недостатку -использование во входном узле прецизионных элементов (ответвители с высокой степенью направленности, соединение антенны с ответвителем с низкими потерями, широкополосную антенну с высоким коэффициентом полезного действия). Снижение требований к узлам приведет к росту погрешности. К другому недостатку можно отнести требование высокой идентичности двух направленных ответвителей в широкой полосе частот.
Предлагаемым изобретением решается задача упрощения устройства и повышение точности измерений с учетом реальных характеристик используемых элементов во входном тракте измерителя.
Для достижения этого технического результата в радиометрический измеритель коэффициента отражения, содержащий антенну, подключенную к первому входу направленного ответвителя, последовательно соединенные радиометрический приемник, синхронный фильтр низких частот, фильтр высоких частот, компаратор, блок управления, причем второй вход компаратора соединен с общей шиной радиометра, первый выход блока управления является выходной шиной радиометра, его второй выход подключен к управляющему входу синхронного фильтра низких частот и объединен с управляющим входом СВЧ- переключателя, вход которого подключен к последовательно соединенным источнику тока и генератору шума, а первый и второй его выходы соединены соответственно с согласованной нагрузкой и вторым входом направленного ответвителя, введен регулируемый аттенюатор, входом подключенный к третьему выходу СВЧ- переключателя, а выходом - к третьему входу направленного ответвителя, выход которого соединен с входом радиометрического приемника.
На фиг. 1 показана структурная схема прототипа.
На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого измерителя коэффициента отражения.
На фиг. 3 приведена упрощенная схема входного блока измерителя с параметрами элементов входящих в него узлов.
В состав радиометрического измерителя коэффициента отражения входят (фиг. 2) антенна 1, направленный ответвитель 2, СВЧ-переключатель 5 не отражающего типа, генератор шума 6, источник тока 7. Измерительный канал состоит из приемника 8, синхронного фильтра низких частот 9, фильтра высоких частот 10, компаратора 11, блока управления 12, с первого выхода которого сигнал поступает на выходную шину 13.
Сигнал генератора шума 6 через СВЧ- переключатель 5 проходит на второй и третий входы направленного ответвителя. На второй вход непосредственно, а на третий вход через регулируемый аттенюатор 14. Аттенюатор введен в измеритель для настройки его передаточной характеристики в процессе калибровки, которая будет описана ниже.
Ответвитель противонаправленного типа имеет симметричную структуру. При поступлении сигнала генератора шума на вход 2 ответвителя, далее этот сигнал распространяется в сторону антенны. В это время вход 3 ответвителя согласован на выходном сопротивлении аттенюатора. Если сигнал генератора шума через аттенюатор 14 поступает на вход 3 направленного ответвителя, далее он распространяется в сторону радиометрического приемника. При этом другой вход ответвителя (вход 2) согласован на выходном сопротивлении СВЧ-переключателя не отражающего типа.
Измерительный канал и блок управления измерителя полностью идентичны прототипу.
На фиг. 3 приведена упрощенная структурная схема входного блока измерителя коэффициента отражения, на которой нанесены параметры входящих в блок узлов, учитывающие конечную направленность ответвителя, потери в соединении антенны с направленным ответвителем и в самой антенне аппликаторного типа, расположенной непосредственно на объекте исследования. Эти элементы вносят основную погрешность в измерения.
Принцип работы измерителя, также, как и в прототипе, заключается в синхронном выполнении двух видов импульсной модуляции: амплитудной и широтной. В результате, в измерителе устанавливается нулевой баланс, определяемый соотношением:
1
гш
1
1
где β и β - коэффициенты переходного ослабления противонаправленного ответвителя при поступлении сигнала генератора шума Т из основного канала во вспомогательный в прямом и обратном направлениях, β>β (для идеального направленного ответвителя β=0); α - коэффициент затухания сигнала в линии, соединяющей антенну с направленным ответвителем, равен единице в случае отсутствия потерь в линии и нулю при полном ослаблении сигнала; η - коэффициент полезного действия антенны, характеризующий возникающие в ней активные потери; γ - коэффициент ослабления сигнала генератора шума в аттенюаторе.
Откуда коэффициент отражения в месте приложения антенны к объекту исследования равен:
В ходе анализа равенства (4) установлено, что максимальные погрешности измерения R возникают на краях диапазона. Причем, для максимальной границы, то есть для R=1, погрешность имеет положительный знак, а для минимальной, R=0, - отрицательный.
Соответственно, с учетом погрешности коэффициент отражения на границах шкалы измерений будет равен:
(1)
(1)
(1)
Коэффициент затухания аттенюатора входит в (6) для R. Следовательно, настройкой γ (в процессе калибровки) можно получить R=1, то есть устранить погрешность измерений для максимальной границы шкалы. Подставляя в (6) вместо R единицу и решая равенство относительно коэффициента ослабления сигнала аттенюатором получим:
1
шим
аим
Для примера, задаваясь значениями α=0,891 (- 0,5 дБ), η=0,95, β=0,1, β=0,005 получим γ=0,694. Таким образом, настроив аттенюатор на полученное значение коэффициента ослабления сигнала генератора шума, тем самым устраним погрешность в конце шкалы преобразования. Регулировка аттенюатора осуществляется в процессе калибровки. Для этого к антенне прикладывается идеальный отражатель (гладкий металлический лист) и длительность широтно-импульсного сигнала устанавливается равной длительности импульса амплитудно-импульсной модуляции, t=t. Регулировку производят до установления нулевого баланса на входе радиометрического приемника  который фиксируется на выходе компаратора 11. На этом выходе в момент наступления нулевого баланса будут случайные переходы между состояниями логического нуля и единицы.
Погрешность в начале шкалы преобразования имеет отрицательный знак, не зависит от у и, как следует из (5), определяется только отношением коэффициентов переходного ослабления ответвителя в прямом и обратном направлениях (степенью развязки в ответвителе). Модуль этого отношения равен:
1
1
1
Рассмотрим пример. Если принять погрешность в начале измерительной шкалы равной 0,1, тогда для двух значений β, равных 0,1 (- 10 дБ) и 0,05 (- 13 дБ) из (13) получим β=0,0072 (- 21,43 дБ) и β=0,0036 (- 24,45 дБ). Для другого значения погрешности, например, 0,05 при тех же значениях коэффициента переходного ослабления β, получим для β 0,0036 и 0,0018, что соответственно составляет - 24,43 и- 27,47 дБ. Таким образом, погрешность в начале шкалы преобразования определяется величиной развязки в направленном ответвителе и при ее увеличении (уменьшении Pi) снижается.
В радиометрическом измерителе высокочастотные пассивные устройства выполнены на микрополосковых волноведущих структурах. СВЧ-переключатель создан с использованием выпускаемых фирмой NEC ключей на три направления (SP3T), таких как UPG2227T5F. В литературе достаточно полно описаны конструкции СВЧ-узлов, направленные ответвители, переключатели, полосовые фильтры и методы их расчетов [например, Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.Н. и др. Под ред. Фельдштейна А.А. Справочник по элементам полосоковой техники. - М.: Связь, 1979. - 336 с.]. В приемнике применены транзисторные усилители.
Таким образом, в отличие от прототипа, схема предлагаемого радиометрического измерителя коэффициента отражения имеет более простую структуру (вместо двух идентичных направленных ответвителей используется один), упрощена конструкция. В измерителе выполняется одноточечная калибровка с использованием введенного в схему регулируемого аттенюатора, что позволяет свести погрешность в конце шкалы преобразования к нулю и тем самым повысить точность измерений.