Модуляционный радиометр для измерений шумовых сигналов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТЬ 1 ЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 2 504 С 01 К АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт радиофизики и электроники АН АрмССР(56) Башаринов А.Е Гурвич А,С Егогоров С.Т, Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974 с.134.Авакян Р,С. и др, Модуляционный радиометр 8-.миллиметрового диапазона. Х 1 Ч Всесоюзная радиоаетрономи" ческая конференция. Теэ. докл. Ереван, 1982, с.121-122..(54) МОДУЛЯЦИОННЫЙ РАДИОИЕТР ДЛЯИЗМЕРЕНИЙ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ(57) Изобретение может быть использовано для измерения мощности слабого радиоизлучения шумового характера в радиоастрономии, народном хозяйстве и медицине. Цель изобретения - повышение точности и автоматизация процесса измерения - достигается за. счет, уменьшения потерь во входном тракте и введения программируемого блока 14 управления и блока 15 коммутации, В устройстве входной шумовой сигнал через последовательно соединенные первый управляемый аттенюатор 1, цир кулятор 2, первый вентиль 5, смеси- тель 6, усилитель 9 промежуточной частоты, квадратичный детектор 1 О, усилитель 11 низкой частоты и синхронный детектор 12 поступает на регистрирующий блок 13. Калибровка осуществляется сигналом с генератора 4 шума, который через второй управляемый аттенюатор подключен к вто рому входу циркулятора 2. Синхронизация устройства обеспечивается генератором 16 опорного напряжения, соответствующие выходы которого подключены к входам синхронного детек" тора 12 и блока 15 коммутации.При приеме приходящего из антенны сигнала ,первый управляемый аттенюатор 1 работает в режиме модулятора,а второй заперт. При калибровке радиометра в режиме модулятора работает второй управляемый аттенюатор 3, а первый заперт. 1 ил.Циркулятор 2 в данной схеме выполняет две Функции, так как кроме осуществления развязки между входом смесителя 6 и модулятором он выполняет 3 152562Изобретение относится к измеритель.ной технике и предназначено для измерения мощности слабого радиоизлучения шумового характера в радиоастрономии, народном хозяйстве, медици-не и т,д,Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшенияпотерь во входном тракте, а также 1 Оавтоматизация процесса измерения.На чертеже представлена блок-схе"ма предлагаемого устройства.Модуляционный радиометр для измерений шумовых сигналов содержит 5первый управляемый аттенюатор 1, циркулятор, 2(с направлением циркуляции1-11-111-1). второй управляемый аттенюатор 3, генератор 4 шума, выходкоторого соединен с входом второго 20управляемого аттенюатора 3, и первыйвентиль 5, смеситель Ь, второй вентиль 7, вход которого соединен свыходом гетеродина 8, а выход - сгетеродинным входом смесителя 6, последовательно соединенные усилитель9 промежуточной частоты, квадратичныйдетектор 10, усилитель 11 низкой часшоты, синхронный детектор 12 и регистрирующий блок .13, причем вход усилителя 9 промежуточной частоты соединен с выходом смесителя Ь, программируемый блок 14, блок 15 коммутации,генератор 16 опорного напряжения, тре-тий выход которого соединен с опорнымвходом синхронного детектора 12,первый вход блока 15 соединен с пер.вым выходом генератора 16 опорного напряжения, а второй вход - с вторымвыходом генератора 1,6 опорного напряжения, причем первый выход генератора 16 опорного напряжения засинхронизирован с.третьим выходом, а навтором выходе имеетсяпостоянноенапряжение, программируемый блок 14управления, первый выход которогосоединен с генератором 4 шума, авторой выход, - с входом управленияблока 15 коммутации, первый выкод блока15 коммутации соединен с первым управляемым аттенюатором 1, а второйвыход - с вторым управляемым аттенюатором 3, причем блок 15 коммутацииосуществляет. либо прямую, либо перекресную передачу напряжений своихпервого и второго входов на своипервый и второй выходы, первое плечо циркулятора 2 соединено с выходом первого управляемого аттенюатора 1, второе плечо - с входом первоговентиля 5, а третье плечо - с выходом второго управляемого аттенюатора3, выход первого. вентиля 5 соединенс сигнальным входом смесителя 6,Модуляционный радиометр для измерений шумовых сигналов работает следующим образом,. В режиме приема напряжение частотымодуляции на первом выходе генератора 16 опорного напряжениясинхронное с напряжением на еготретьем выходе, поступает на первыйвход блока 15 коммутации (которыйв этом режиме осуществляет прямуюпередачу напряжений на входах к выходным зажимам) и с первого выходаблока 15 поступает на первый управляемый аттенюатор 1, в то время какна второй управляемый аттенюатор 3поступает постоянное запирающее напряжение с второго выхода блока 15коммутации.В течение первого полупериодамодулирующего напряжения, когда первый управляемый аттенюатор 1 открыт,на вход радиометра поступает сигнализ антенны, и в течение второго полупериода (когда первый управляемыйаттенюатор 1 закрыт) - опорный сигнал, которым в данном случае является шумовая температура запертогопервого управляемого аттенюаторапоглощающего типа, равная температуре окружающей среды (она поддерживается постоянной с помощью термостата)Модулятор непрерывно с частотоймодуляции сравнивает шумовую температуру приходящего из антенны сигнала сшумовой температурой опорного сигнала.На выходе модулятора в процес" е измерения возникает модулированный шумовойсигнал, интенсивность которого меняется от значения, соответствующеготемпературе опорного сигналадо значения, соответствующего антеннойтемпературе, подлежащей измерению.Этот сигнал через плечо 1-11 циркулятора 2 и первый вентиль 5 поступаетна вход смесителя 6, на гетеродинныйвход которого поступает сигнал отгетеродина 8.626 6температуре калибровочного сигнала, Этот сигнал по плечу 111-11 циркулятора 2 поступает через первый вентиль 5 на вход смесителя 6. Далее сигнал подвергают обработке в том же порядке, что и в режиме приема.Величина обработанных потерь в плече 111-11 циркулятора 2 учитывается при определении значения калибровочного сигнала.Флуктуационная чувствительность модуляционного радиометра определяется следующим выражением: То + Тр 3 Т =ос ---а д Угде Т, Тсмф Тпч 5 1525 также функцию направленного ответвителя. Преобразованный в смесителе 6 сигнал поступает на вход усилителя 9 промежуточной частоты, усиливается и детектируется квадратичным детектором 10, Продетектированный сигнал с частотой модуляции поступает на вход усилителя 11 низкой частоты, усиливается и поступает на сигнальный 10 вход синхронного детектора 12, на опорный вход которого поступает сигнал от генератора 16. Выходной сигнал синхронного детектора 12, соответствующий мощности измеряемого сигнала, 15 фиксируется регистрирующим блоком 13.Для осуществления режима калибровки по сигналам, поступающим из программируемого блока 14 управления, включается генератор 4 шума и происходит перекрестная передача напряжений на входе блока 15 к его выходным зажимам (т. е. напряжение на втором выходе блока 15 становится засинхронизированным с третьим выходом генератора 16, а на 25 первом выходе блока 15 имеется поотоянное напряжение). Напряжение частоты модуляции, синхронное с напряжением на третьем выходе генератора 16, поступает на второй управляемый 30 аттенюатор 3, а на первый управляемый аттенюатор 1 поступает постоянное запирающее напряжение.В течение первого полупериода модулирующего напряжения, когда второй 35 управляемый,аттенюатор: 3 открыт, на вход радиометра поступает калибро-. вочный сигнал от генератора 4 шума, а в течение второго полупериода, когда второй управляемый аттенюатор 3 40 закрыт, на вход радиометра поступает опорный сигнал, которым в данном случае также, как и в режиме приема, является шумовая температура запертого второго управляемого аттенюатора 3.Модулятор (в данном случае второй управляемый аттенюатор 3) непрерывно с частотой модуляции сравнивает шумовую температуру калибровочного сигнала от генератора шума 4 с температурой опорного сигнала. где о = 0,5-2 - коэффнциет, зависящийот схемы радиометраи вида модуляции идемодуляции принимаемого сигнала;Т - температура антенны,зависящая от параметров антенны и ее ориентации в простанстве, К,Т - эквивалентная шумоваятемпература. радиометра, К;д Г - полоса принимаемыхчастот по шумовомусигналу, реально равная полосе пропускания усилителя промежуточной частоты,- постоянная времениинтегрирования.Из выражения (1) видно, что дляулучшения флуктуационной чувствительности радиометра очень важно достижение минимально возможной эквивалентной шумовой температуры приемни 1ка (Т ) .Эквивалентная шумовая температура супергетеродинного приемника,приведенная к его входу, может бытьпредставлена в следующем виде:На выходе модулятора в процессе измерения возникает модулированный шумовой сигнал, интенсивность которого меняется от значения, соответствующего температуре опорного сигнала, до значения, соответствующего- шумовые температуры всего приемника, смесителя и усилителя промежуточной частоты, соответственно, 1525626То - температура Окружающей среды;ЕЬЧ - потери во входномблоке,5см - однополосные потери преобразователя смесителя.Прямые потери во входном блоке прототипа представляют собой аддитив ную сумму всех потерь до смесителя, т.е.ьц = д, + 1.но + 1 д,р + 1 э,(3) где Ьд, эно 15Ь- прямые потери в первомуправляемом аттенюато-,ре направленном ответвителю, во. втором управляемом аттенюаторе 20и в развязывающих элементах (в первом вентиле и циркуляторе)соответственно.Одной из основных причин низкой 25 флуктуационной чувствительности этого блока является наличие сравнительно большого количества пассивных элементов, которые вносят значительный вклад в общую температуру приемника и тем самым ухудшают его флуктуационную чувствительность даже при условии минимизации Бом 1 см 1 Тпч фПотери во входном устройстве 1,предлагаемого радиометра представляются следующим выражением:1.,= Ь,+ т, (4)Циркулятор 2 в данной схеме выполняет роль не только развязывающего 40элемента, но и направленного отвердителя, предназначенного для подачи калибровочного сигнала. Из сравнения выражений (3) и (4) видно, чтоВ Выражении (4) ОтсутстВуют состаВ 45ляющие 1.цо и 1,Паспортные значения прямых потерьЬ развязывающих элементов и управля"емых аттенюаторов в миплиметровом диапазоне длин волн составляют с 1,ЦБФ(например, паспортные данные р-д-иаттенюаторов поглощающего типа, ферритовых вентилей),Если принять потери в первом и55 втором аттенюаторах, а также в каждом из развязывающих элементов, рав-.ными 1 дБ а потери в основном канале направленного ответвитедя Ья== 0,2 дБ, то согласно формулам (2) и (3) получаем для прототипа (при Т, = 300 К):ЕВ = 1 + 0,2 + 1 + 2 = 4,2 дБ (2,63 раза),"Тпр д 3900 К при Т -500 К;1 м= 6 дБ", Тч= 200 К.Для предлагаемого же радиометра получаем:1, = 1 + 2 = 3 дБ (2 раза),Тп = 2900 К при тех же значениях Тсм 1 см ТпчИз выражения (1) видно, что при одинаковых значениях о., Ь Г и с флуктуационная чувствительность ЯТц зависит только от значения (Тс, + Тп ). Если принять Т .,= 300 К, то получйм, что отношение значений флуктуационных чувствительностей прототипа 3 ТОП,ог и предлагаемого радиометра 6 ТО равно:ппТап от фТап = 135 т. е, флуктуационная чувствительность предлагаемого устройства повысилась по сравнению с прототипом на 357., что в результате привело к соответствующему повышению точности измерений,Формула изобретенияМодуляционный радиометр для измерений шумовых сигналов, содержащий первый управляемый аттенюатор, второй управляемый аттенюатор, генератор шума, выход которого соединен с входом второго управляемого аттеню атора, циркулятор и первый вентиль, смеситель, гетеродин и второй вентиль, вход которого соединен с выходом гетеродина, а выход - с гетеродинным входом смесителя, последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты, квадратный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный детектор и регистрирующий блок, причем вход усилителя промежуточной частоты соединен с выходом смесителя, и генератор опорного напряжения, третий выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышение точности, введены программируемый блок управления и блок коммутации, первый вход которого соединен с первым выходом генератора опорного напряжения, а второй вход - с вторым выходом генеСоставитель Н.МихалевТехред А,Кравчук Корректор Т.Малец Редаткор Т.Пардашдва Заказ 7220/41 Тираж 714 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета.по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5и Производственно-издательский комбинат "Патент"г.ужгород, ул. Гагарина, 101 9 15 ратора опорного напряжения, первый выход програмируемого блока управления подключен к управляющему входу генератора шума, а второй выход - к . входу управления блока коммутации, первый выход блока коммутации подключен к управляющему входу первого управляемого аттенюатора, й вторфй выход - к управляющему входу второ 25626 10го управляемого аттенюатора, при,этом первое плечо циркулятора соединено с выходом первого управляемогоаттенюатора, второе плечо - с входомпервого вентиля, а третье плечо - свыходом второго управляемого аттенюатора, причем выход первого вентилясоединен с сигнальным входом смеси теля