устройство для индикации свч-излучений

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДИКАЦИИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащее последовательно соединенные антенну, модулятор, приемник и первый интегратор, модулирующий генератор, первый пороговый элемент, блок совпадения и регистратор, выход модулирующего генератора соединен с вторыми входами модулятора и блока совпадений, выход которого соединен с входом регистратора, отличающееся тем, что в него введены второй интергатор, первый и второй зарядные ключи, первый и второй аналоговые инверторы, аналоговый сумматор, дифференциатор, второй пороговый элемент, элемент ИЛИ, разрядный ключ и счетный триггер, выход приемника соединен с входом второго интегратора, выход первого интегратора с входом первого зарядного ключа и первым входом аналогового сумматора, выход второго интегратора с входом второго зарядного ключа и через первый инвертор с вторым входом аналогового сумматора, выход которого через дифференциатор соединен с входом разрядного ключа и входами первого и второго пороговых элементов, выходы которых через элемент ИЛИ соединены с управляющим входом разрядного ключа и входом счетного триггера, выход которого соединен с первым входом блока совпадения, выход модулирующего генератора соединен с управляющим входом первого зарядного ключа и через второй инвертор с управляющим входом второго зарядного ключа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в широкополосной аппаратуре средств радиоизмерения и контроля.

Извеснны устройства, предназначенные для выявления и индикации источников СВЧ-излучений [1] и [2] Их типовая схема включает в себя, как правило, антенну, нагруженную на модулятор, управляемый низкочастотным генератором, а также широкополосный приемник и звуковой или визуальный регистратор, что обеспечивает выявление ими источников СВЧ-энергии различных классов излучений. В ряде случаев для предотвращения сбоев в работе в условиях воздействия кратковременных импульсных помех в структуру подобных устройств помимо вышеперечисленных функциональных узлов вводятся интегратор с пороговым элементом и блок совпадения, устанавливаемые между приемником и регистратором.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для индикации СВЧ-излучения [2] содержащее последовательно соединенные антенну, модулятор, приемник, интегратор, пороговый элемент, блок совпадения и регистратор (звуковой индикатор), а также генератор модулирующего сигнала, выход которого подключен к вторым входам модулятора и блока совпадения.

Сигнал СВЧ-излучения принимается антенной и поступает в модулятор, куда также подается НЧ-сигнал от генератора модулирующего сигнала. Промодулированный таким образом сигнал претерпевает преобразование (усиливается и детектируется) в широкополосном приемнике и далее интегрируется интегратором. Выделенная огибающая сигнала поступает на пороговый элемент, а с его выходе сформированная последовательность импульсов подается на первый вход блока совпадения, на второй вход которого приходит сигнал от генератора модулирующего сигнала. В результате на выходе блока совпадения получается сигнал, который по существу является повторением НЧ-сигнала генератора модулирующего сигнала, который подается на вход регистратора звукового индикатора.

В процессе приема и выявления СВЧ-излучений, оценивая на слух качество звуковой индикации регистратора, путем изменения постоянной времени интегратора и уровня срабатывания порогового элемента добиваются исключения влияния кратковременных импульсных помех, поступающих вместе с полезным сигналом через антенну в приемник.

Такое устройство наряду с присущими ему положительными качествами обладает рядом существенных недостатков, резко ограничивающих возможности его применения.

Использование устройства-прототипа для выявления СВЧ-излучений в условиях воздействия на него импульсных помех влечет за собой необходимость проведения целого ряда последовательных, взаимозависимых операций, связанных с процессами многократной регулировки уровня срабатывания порогового элемента и подбора постоянной времени интегратора, производимыми вручную, по результатам субъективной оценки на слух звуковой информации, воспроизводимой регистратором. При этом, являясь достаточно длительными и трудоемкими, а также требуя от оператора, обслуживающего устройство, постоянной занятости, указанные процедуры должны повторяться неоднократно и всякий раз заново как в случае изменения характеристик помехи, так и амплитуды источника СВЧ-излучений. В результате в реальных условиях, когда априорно неизвестны ни характеристики помех, ни уровни мощности выявляемых сигналов, ни время их появления в эфире, работа известного устройства оказывается малоэффективной или вообще невозможной и неприемлемой для выделения поступающей полезной информации.

Наиболее полно недостатки прототипа проявляются при попытке его использования для выявления кратковременных низкоуровневых источников СВЧ-излучений, принимаемых на фоне мощных, систематически действующих широкополосных импульсных помех, например длительных и непрерывных индустриальных излучаемых и конъюктивных радиопомех, умышленных помех импульсного характера, создаваемых средствами радиопротиводействия. Имея высокую напряженность электромагнитного поля и обладая широким и насыщенным частотным спектром, такие помехи, попадая в полосу пропускания приемника, резко ухудшают отношение сигнал/помеха на выходе последнего, а следовательно, на входе интегратора и порогового элемента, в результате чего срабатывание блока совпадений и звукового индикатора происходит главным образом, непосредственно под влиянием помех, что не позволяет человеку -оператору, обслуживающему прототип, за время действия источника СВЧ-излучений выделить информацию о его появлении.

Так, например, при длительностях источника СВЧ-излучений, измеряемых единицами секунд, с учетом приведенного ранее алгоритма работы известного устройства, предусматривающего для выделения сигнала из шумов проведение оператором предварительного анализа на слух поступающей информации и осуществление многократных манипуляций по регулировке параметров интегратора и порогового элемента, практически невыполнимо не только выявить сигнал источника СВЧ-излучений и тем более зафиксировать моменты начала и окончания работы последнего, но и просто установить сам факт его появления в эфире. Помимо вышесказанного недостатком прототипа является и то, что с его помощью невозможно выявить источники СВЧ-излучений, в том числе и мощные, в отсутствии каких-либо внешних помех, работа которых совпадает с временными интервалами, соответствующими закрытию блока совпадений напряжением модулирующего генератора в течение половины периодов, вырабатываемых им низкочастотных колебаний, что равноценно 50% времени функционирования известного устройства.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего повысить эффективность выявления кратковременных источников СВЧ-излучений, принимаемых на фоне систематически действующих импульсных помех высокой интенсивности.

Технический результат изобретения заключается в реализации принципа двухполупериодного интегрального накопления сигнала и последующего за этим аналогового суммирования, интегрирования, дифференцирования, двухпороговой обработки и логического сложения полученных сигналов, использовании последних для управления работой регистратора и ускорения операции дифференцирования, что достигается тем, что в устройство для индикации СВЧ-излучений, содержащее последовательно соединенные антенну, модулятор, приемник и первый интегратор, а также модулирующий генератор, первый пороговый элемент, блок совпадения и регистратор, причем выход модулирующего генератора подсоединен к вторым входам модулятора и блока совпадения, выходом соединенного с входом регистратора, введены второй интегратор, первый и второй зарядные ключи, первый и второй аналоговые инверторы, аналоговый сумматор, дифференциатор, второй пороговый элемент, блок ИЛИ, разрядный ключ и электронный фиксатор, при этом выход приемника подсоединен к входу второго интегратора, выход первого интегратора соединен с входом первого зарядного ключа и первым входом аналогового сумматора, выход второго интегратора соединен с входом второго зарядного ключа и через первый инвертор с вторым входом аналогового сумматора, выход которого через дифференциатор подсоединен к входу разрядного ключа и входам первого и второго пороговых элементов, выходами соединенных через блок ИЛИ с управляющим входом разрядного ключа и входом электронного фиксатора, выходом подсоединенного к первому входу блока совпадения, выход модулирующего генератора соединен с управляющим входом первого зарядного ключа, а через второй инвертор с управляющим входом второго зарядного ключа.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства для индикации СВЧ-излучений; на фиг.2 изображены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип его работы.

Устройство для индикации СВЧ-излучений содержит антенну 1, модулятор 2, приемник 3, модулирующий генератор 4, первый 5 и второй 6 интеграторы, первый 7 и второй 8 зарядные ключи, первый 9 и второй 10 инверторы, аналоговый сумматор 11, дифференциатор 12, первый 13 и второй 14 пороговые элементы, элемент ИЛИ 15, разрядный ключ 16, счетный триггер 17, блок 18 совпадения, регистратор 19.

Антенна 1, модулятор 2, приемник 3 и первый интегратор 5 последовательно соединены между собой. Вход модулирующего генератора 4 подключен к вторым входам модулятора 2 и блока 18 совпадения, выходом соединенного с входом регистратора 19. Выход приемника 3 подсоединен к входу второго интегратора 6, выход первого интегратора 5 соединен с входом первого зарядного ключа 7 и первым входом аналогового сумматора 11, выход второго интегратора 6 соединен с входом второго зарядного ключа 8 и через первый инвертор 9 с вторым входом аналогового сумматора 11, выход которого через дифференциатор 12 подсоединен к входу разрядного ключа 16 и входам первого и второго пороговых элементов 13, 14, выходами соединенных через элемент ИЛИ 15 с управляющим входом разрядного ключа 16 и входом счетного триггера 17, выходом подсоединенного к первому входу блока 18 совпадения. Выход модулирующего генератора 4 соединен с управляющим входом первого зарядного ключа 7, а через второй инвертор 10 с управляющим входом второго зарядного ключа 8.

Сигнал СВЧ-излучения, принятый антенной 1, поступает в модулятор 2, выполненный, например на основе аттенюатора с p-i-n-диодами. Одновременно с этим на второй вход модулятора 2 подается периодическое напряжение прямоугольной формы (фиг.2, U₁), вырабатываемое модулирующим генератором 4. Под действием вышеупомянутого напряжения изменяется затухание, вносимое модулятором 2, следствием чего является клиппирование по амплитуде входного СВЧ-сигнала с частотой модулирующего генератора 4.

Промодулированный таким образом СВЧ-сигнал обрабатывается (демодулируется и усиливается) в приемнике 3 и с его выхода выделенная огибающая сигнала, представляющая собой импульсную последовательность (фиг.2, U₄), следующую с частотой клиппирования, подводится к входам первого и второго интеграторов 5 и 6, идентичных по исполнению и реализованных, например, на основе резистивно-емкостных элементов.

Далее выходное напряжение первого и второго интеграторов 5 и 6 поступает соответственно на входы однотипных, например транзисторных, первого и второго зарядных ключей 7 и 8, управляющие входы которых находятся под воздействием подаваемого на них в противофазе (что обеспечивается вторым инвертором 10) периодического напряжения (фиг.2, U₁) модулирующего генератора 4. В результате в течение положительных полупериодов вышеупомянутого напряжения открывается (фиг.2, U₃) первый зарядный ключ 7, обеспечивая тем самым ускоренный заряд через него реактивных, например емкостных, элементов первого интегратора 5, а накопленный таким образом сигнал положительной полярности (фиг. 2, U₅) оказывается приложенным к первому входу аналогового сумматора 11, выполненного, например, на базе транзисторных операционных усилителей.

Во время отрицательных полупериодов напряжения (фиг.2, U₁), вырабатываемого модулирующим генератором 4 и проинвертируемого вторым инвертором 10, реализованным, например, на основе логических интегральных микросхем, открывается второй зарядный ключ 8 (фиг.2, U₂), и аналогично описанному выше происходит интегрирование и накопление сигнала во втором интеграторе 6, выходное напряжение отрицательной полярности которого (фиг.2, U₆) после прохождения через первый инвертор 9 поступает на второй вход аналогового сумматора 11. Последний осуществляет суммирование подаваемых на его первый и второй входы уровней напряжений, а затем полученный результирующий сигнал (фиг.2, U₇) подвергается дифференцированию (фиг.2, U₈) в дифференциаторе 12, формирующем при появлении сигнала (время t₁) и его окончании (время t₄) разнополярные импульсы треугольной формы. Эти импульсы (фиг.2, U₈) далее следуют на вход разрядного ключа 16, например транзисторного, и входы первого и второго пороговых элементов 13 и 14, например полупроводниковых компараторов или спусковых устройств, где они сравниваются по амплитуде с разнополярными опорными потенциалами, соответствующими порогам срабатывания пороговых элементов 13 и 14 (отмечены на фиг.2 горизонтальными пунктирными линиями с надписями "порог 1-2" и устанавливаются, исходя из условий возможности обработки СВЧ-сигналов, равных по уровню номинальной чувствительности радиоприемника 3).

Вследствие сравнения продифференцированного и опорных пороговых напряжений на выходах первого и второго пороговых элементов 13 и 14 формируются прямоугольные импульсы положительной полярности (фиг.2, U₉, U₁₀), следующие через элемент ИЛИ 15 на управляющий вход разрядного ключа 16 и вход счетного триггера 17.

Пришедший с элемента ИЛИ 15 импульс напряжения (фиг.2, U₁₁, время t₂-t₃), характеризующий факт появления СВЧ-сигнала, открывает разрядный ключ 16, обеспечивающий ускоренный разряд зарядных цепей дифференциатора 12, а также вызывает срабатывание счетного триггера 17 и установку на его выходе единичного потенциала (фиг. 2, U₁₂, время t₂-t₅), открывающего по первому входу блок 18 совпадения. Будучи открытым по первому входу, блок совпадения формирует на своем выходе из поступающего на его второй вход периодического напряжения (фиг. 2, U₁), вырабатываемого модулирующим генератором 4, последовательность импульсов (фиг. 2, U₁₃, время t₂-t₅), под действием которых регистратор 19, например слуховой или визуальный индикатор, излучает звуковые колебания или световую энергию, свидетельствующие о приеме СВЧ-сигнала. По окончании действия источника СВЧ-излучений происходит резкое падение выходного напряжения аналогового сумматора 11 (фиг.2, U₇, время t₅), что приводит к образованию дифференциатором 12 треугольного импульса отрицательной полярности (фиг.2, U₈, время t₄-t₅), вызывающего срабатывание второго порогового элемента 14. Полученный на его выходе прямоугольный импульс положительной полярности (фиг. 2, U₁₀, время t₅-t₆), пройдя через элемент ИЛИ 15 (фиг.2, U₁₁, время t₅-t₆) на счетный триггер 17 и управляющий вход разрядного ключа 16, вызывает ускоренный разряд через ключ 16 зарядных цепей дифференциатора 12, а также установку на выходе счетного триггера 17 нулевого потенциала (фиг. 2, U₁₂, время t₅), закрывающего по первому входу блок 18 совпадения. В связи с этим оканчивается формирование импульсов (фиг.2, U₁₃, время t₅) на выходе блока 18 совпадения из поступающего на его второй вход периодического напряжения модулирующего генератора 4, а следовательно, прекращается запуск регистратора 19 и излучение им звуковых колебаний или световой энергии, что свидетельствует об окончании приема СВЧ-сигнала.

Рассмотренные процессы, связанные с обнаружением и индикацией наличия СВЧ-сигнала на входе антенны 1, повторяются всякий раз в начале и по окончании действия источников СВЧ-излучений независимо от того сопровождается СВЧ-сигнал импульсными помехами или нет. При этом все операции по выделению сигнала из помех и получению информации о его приеме происходят автоматически после проведения (например, перед вводом устройства в эксплуатацию) однократной установки уровней срабатывания первого и второго пороговых элементов 13 и 14 из расчета приема и обработки СВЧ-сигналов, по мощности равных номинальной чувствительности радиоприемника 3, при фиксированных значениях постоянных времени первого и второго интеграторов 5 и 6 _1,2 >> T >> t_u где Т и t_u соответственно длительности полупериода колебаний модулирующего генератора 4 и элементарных импульсов помехи в полосе пропускания радиоприемника 3.

Из перечисленных выше параметров ноpманальная чувствительность является величиной априорно известной, ее значение, как правило, приводится в технических данных применяемых широкополосных радиоприемников 3, или может быть легко измерена экспериментально по известным методикам. Не представляет труда и соблюдение условий по выбору постоянной времени _1,2 первого и второго интеграторов 5 и 6, поскольку уже при клиппировании входного СВЧ-сигнала в модуляторе 2 в диапазоне звуковых частот, пригодных одновременно для запуска слуховых, а также визуальных регистраторов, может быть обеспечено эффективное обнаружение и фиксация начала и окончания действия СВЧ-сигналов, появляющихся на фоне наиболее распространенных помех импульсного и квазиимпульсного характера, излучаемых основными видами источников индустриальных радиопомех, такими как коллекторные электрические машины, системы с электромагнитными прерывателями, электрическое зажигание двигателей внутреннего сгорания автотранспорта, ионные газовые приборы и разрядники, электросварка и т. д. а также аналогичные им по спектральным и временным характеристикам. Средняя частота следования элементарных импульсов вышеупомянутых помех имеет порядок 10-10⁴ имп/с при длительности (t_u) последних, измеряемых единицами микросекунд и менее, поэтому, обеспечив, как указывалось ранее, работу модулирующего генератора 4 на одной из частот звукового диапазона, например 1 кГц (полупериод колебаний Т 500 мкс), и зафиксировав постоянную времени первого и второго интеграторов 5 и 6, например, в пределах _1,2= 1-2 с, достигают возможность выявления кратковременных СВЧ-сигналов аналогичной длительности и тем более превышающих ее.

Помимо вышесказанного обеспечиваемая за счет совместной работы первого и второго интеграторов 5 и 6, управляемых первым и вторым зарядными ключами 7 и 8, двухполупериодная обработка СВЧ-излучений, принимаемых антенной 1, позволяет осуществлять отслеживание высокоуровневых сигналов в течение всего времени работы модулирующего генератора 4 и снизить требования к управляемому им модулятору 2 по вносимому затуханию, что при практическом использовании позволяет уменьшить энергопотребление этого элемента. Будучи полностью автоматизированным, простым и удобным в эксплуатации, заявленное устройство выгодно отличается от аналогов и прототипа, позволяя в сложной электромагнитной обстановке, характеризуемой наличием широкополосных импульсных помех самой различной интенсивности, эффективно выявлять и индицировать кратковременные низкоуровневые источники СВЧ-излучений с априорно неизвестными параметрами излучаемой мощности и временем появления в эфире, фиксировать начало и окончание их действия, в связи с чем оно может быть широко использовано в составе радиоизмерительной аппаратуры, функционирующей в условиях воздействия систематических, мощных индустриальных излучаемых и конъюктивных импульсных радиопомех. Указанные достоинства предлагаемого устройства существенно расширяют границы его использования и обеспечивают надежное обнаружение источников СВЧ-энергии самых различных уровней и классов радиоизлучений в условиях, при которых известные устройства аналогичного значения оказываются малоэффективными или вообще теряют свою работоспособность.