CC BY
123
УДК 621.396.67:621.371
А.В. Хохлов
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СВЧ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-КОММУТАЦИОННЫХ РАДИОПОЛЯРИМЕТРАХ
В статье рассматриваются особенности переключения поляризационных состояний в дифференциально-коммутационнных поляриметрах и устройство систем управления СВЧ-выключателями. Показано, что при синхронизации режимов переключения и подборе параметров p-i-n-диодов и цепей обратной связи в устройствах управления выключателями точность измерений можно увеличить почти вдвое.
СВЧ-выключатели, дифференциально-коммутационный радио-поляриметр, p-i-n-диод, системы управления, собственные частоты
A.V. Khokhlov
MICROWAVE SWITCHE CONTROL SYSTEMS IN DIFFERENTIAL-GATED RADIOPOLARIMETERS
The paper examines the features of the polarization state switching in differential-gated polarimeters, and the device for the microwave switches control systems. It is shown that when the switching modes are synchronised and the parameters of the p-i-n-diodes and feedback are appropriately selected in the control systems, the measurement accuracy doubles.
Microwave switches, differential-gated radiopolarimeter, p-i-n-diod, control systems, eigenfrequencies Измерения поляризационной структуры излучения сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких частот (особенно слабо поляризованного) представляет сложную научно-техническую задачу и широко используются в радиоэлектронике и измерительной технике, так как одновременное или квазиодновременное измерение четырех независимых параметров обеспечивает существенное увеличение получаемой информации по сравнению с традиционным использованием только интенсивности радиоизлучения. Развитие радиополяризационных исследований инициировало возникновение и развитие пассивной радиолокации, определяющей структуру целей по собственному радиоизлучению, а также способствовало появлению новых методов распознавания объектов естественного и искусственного происхож-66
дения. Как правило, степень поляризации собственного излучения чрезвычайно мала, и поляризованные компоненты измеряются в присутствии существенно большего сигнала, соответствующего неполяризованной части волны.
В Саратовском университете разработан дифференциально-коммутационный метод поляризационного анализа [1] и созданы прецизионные радиополяриметры [2-5], предназначенные для измерения структуры слабо поляризованного сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного излучения. Идеализированная модель радиополяриметра, предполагающая наличие «идеальных» СВЧ-выключа-телей [3], по данным расчетов позволяет измерять поляризованные составляющие, если степень поляризации излучения превышает 0.2%. В реальных радиополяриметрах на точность измерений влияют различные характеристики: точность разложения волны на ортогональные составляющие в турникетном соединении волноводов, качество изготовления волноводных элементов, количество и характеристики СВЧ-выключаттелей, и конечно, способы управления режимом коммутации поляризованных составляющих и формированием поляризационных параметров. До сих пор проблеме управления СВЧ-вы-ключателями не уделялось должное внимание, хотя в мировой литературе аналогичные исследования проводятся постоянно [6]. В реальных дифференциально-коммутационных поляриметрах хорошую точность измерений удалось получить только матричным методом с использованием матриц Мюллера и минимизации числа обусловленности [7]. Если создавать новые дифференциально-коммутационные поляриметры, то по-видимому следует начинать с разработки современной системы управления, основываясь на принципах программного (разомкнутого) управления. Однако уже теперь несложная модернизация системы управления радиополяриметра может значительно расширить возможности дифференциально-коммутационного метода и повысить точность поляризационных измерений.
Возможные способы модернизации систем управления дифференциально-коммутационными радиополяриметрами рассматриваются в настоящей статье. Исследуются особенности коммутации режимов разложения СВЧ-излучения на ортогонально поляризованные составляющие и система управления СВЧ-выключателями в виде волно-водно-щелевых диафрагм с /»-/-«-диодами. Анализируются методы увеличения быстродействия переключателей поляризации и выравнивания времен накопления и рассасывания накопленных зарядов.
Принципы измерения поляризации дифференциально-коммутационным методом
Поляризация электромагнитных волн полностью описывается четырьмя параметрами, например, параметрами Стокса. Дифференциально-коммутационный метод основан на измерении трех параметров, отвечающих за пространственную структуру поляризованной части волны, в разностной форме [3]:
е = е\ - е2, и = е% - £_245, г = е1 - Е1 (1)
где ЕЕу, Е425, Е-45, ЕЯ, ЕЬ - мощности составляющих поля, линейно поляризованных
вдоль осей ОХ и ОУ выбранной декартовой системы координат, под углами 45° и — 45° к оси ОХ, правосторонне (Я) и левосторонне (Ь) поляризованных по кругу (характеристическое сопротивление среды принято равным единице). При этом четвертый параметр Стокса I, характеризующий полную мощность излучения, определяется как сумма мощностей любых ортогональных составляющих:
I = ЕХ + Е2Т = Е% + Е—45 = ЕЯ + ЕЬ. (2)
Разложение волны на ортогонально поляризованные компоненты можно осуществить различными способами. Всем требованиям прецизионного разложения волн СВЧ-диапазона в трех ортогональных базисах наилучшим образом удовлетворяют турникетные соединения волноводов - симметричные сочленения четырех прямоугольных волноводов с волной Н10, образующих крестообразное соединение в Н-плоскости,
и круглого волновода с волной Н11, перпендикулярного плоскости креста (рис. 1 а).
Турникетное соединение волноводов представляет закрытую систему. От сочленения круглого и прямоугольных волноводов в турникетном соединении всегда существуют отражения, которые ограничивают точность разделения ортогонально поляризованных компонент, а следовательно, и поляризационного анализа в целом. Полностью компенсировать отражения не удается, но согласно [8] существуют области конечных коэффициентов отражения в прямоугольных и круглом волноводах, где поляризационная изоляция выходов, т.е. степень просачивания на выходы разделителя излучения с ортогональной поляризацией равна нулю или стремится к — ¥ при измерении в дБ. Для согласования в область сочленения волноводов вводится специальный трехэлементный поршень, составленный из двух концентрических цилиндров и штыря (рис. 1,а). Цилиндры минимизируют отражения в прямоугольных и круглом волноводах, а штырь регулирует поляризационную развязку выходов тур-никетного соединения. Расчет трехэлементных согласователей был выполнен методом реберных конечных элементов. Подбирая диаметры согласующих элементов и регулируя глубину погружения
Л 8
<100 с
1 А 1 1 8 1
0 Е
<100 с-*
я
д %
6) 8
Рис. 1. Турникетное соединение волноводов: а - общий вид соединения с трехэлементным согласователем; б - структура и схема закорачивания плеч
Когда все плечи ТСВ согласованы, произвольно поляризованная волна, поступающая в круглый волновод, разлагается на две ортогональные линейно поляризованные в направлениях осей креста составляющие (Ех и Ет). Для разложения волны в других ортогональных базисах в два противолежащих плеча турникетного соединения волноводов вводятся в СВЧ-шлейфы с электрически управляемой длиной.
Если электрические длины шлейфов (с и(в (рис. 1,б) отличаются на Л/2 и равны нечетному числу Л/8 (например, 5Л/8 и 7Л/8, где Л - длина волны в прямоугольном волноводе), то волна, поступающая в круглый волновод, разлагается на ортогонально поляризованные по кругу составляющие Ек = Е0х + ]Е0Гв^), Еь = ^22(-Е0х + УЛ^).
Если же электрические длины (с и ( равны четному и нечетному числу Л4 (например,
42
3Л/ 4 и Л), волна разлагается на две линейно поляризованные компоненты Е45=-(Е0 х + Е0Тв]3),
2
Е-45 Е0х + Е0ув]3) с позиционными углами 45° и - 45° относительно осей креста. Кроме
этого, при разложении волны в круговом ( вк, вь) и линейном (в45, в-45) базисе разность сигналов Ек и Еь или Е45 и Е-45 равна напряженности горизонтально поляризованной компоненты волны Ех, а их сумма - вертикально составляющей Ег. Одновременно измерить все составляющие поля волны технически сложно, и в дифференциально-коммутационных радиополяриметрах используется поочередное измерение различных поляризационных составляющих единственным приемником при быстром переключении режимов разложения. Для коммутации различных поляризационных составляющих используется волноводный преобразователь поляризаций, содержащий турникетное соединение волноводов и комплекс синхронизованных между собой СВЧ-выключателей.
Преобразователь поляризаций и устройства управления СВЧ-выключателями
Электрическая схема волноводного преобразователя поляризаций представлена на рис. 2. Это - резонансная система. Резонаторами являются короткозамкнутые плечи турникетного соединения и волноводные диафрагмы СВЧ-выключателей. Их полосы пропускания различны. Минимальной полосой частот обладает турникетное соединение волноводов, так как высокая поляризационная развязка выходных портов достигается в узкой полосе частот, составляющей 2% от резонансной частоты. Когда СВЧ-выключатели тоже настроены на резонансную частоту, получаем преобразователь поляризаций.
Плечи А и В турникетного разделителя поляризаций через ферритовые вентили 6 и 7, р-/-п-фазовращатель 10 и СВЧ-выключатели 13 и 15 соединены с волноводным Е-трой-ником 14, центральное плечо которого служит выходом преобразователя. Ферритовые вентили поглощают отраженные от СВЧ-выключателей сигналы, способные нарушить прецизионное разложение поля исходной волны.
Рис. 2. Электрическая схема преобразователя поляризаций
Электрические длин рс и рв, т.е. длины волноводов в плечах С и Б турникетного соединения, тщательно подбираются равными 5Л/ 8 и 7Л/ 8 и дополняются короткозамкнутыми отрезками 2 и 12 длиной Л/ 8, где Л - длина волны в прямоугольном волноводе на резонансной частоте турни-кетного соединения. Между этими плечами турникетного соединения и короткозамыкателями размещаются СВЧ-выключатели 3 и 8.
Рассмотрим полный цикл работы преобразователя поляризаций при выделении всех поляризованных составляющих анализируемой волны. Пусть временные зависимости управляющих напряжений имеют вид, представленный на рис. 3.
Рис. 3. Диаграммы управляющих напряжений в преобразователе поляризаций
Анализируемая волна поступает на вход 1 турникетного соединения волноводов. Если в момент времени t0 на входы устройств управления 4 и 9 подан импульс управляющего напряжения Ц1 длительностью 41 (рис. 3,а), то СВЧ-выключатели 3 и 8 закрываются и ограничивают длины плеч C и D величинами 5Л/8 и 7Л8. При этом анализируемая волна, как описано выше, разлагается в базисе вк, вь .
В выходных плечах A и B формируются поля Ек и Еь, которые через вентили 6, 7, фазовращатель 10 и СВЧ-выключатели 13 и 15 поступают на входы волноводного E-трой-ника 14. Пока управляющие напряжения и3 (рис. 3,в) и Ц4 (рис. 3,г) отсутствуют, сигналы полей Ек и Еь суммируются в E-тройнике 14, причем сигнал Еь задерживается фазовращателем 10 на время 1 (рис. 3,б), и на выходе преобразователя поляризаций в интервале времени от £0 до + 1 формируется составляющая поля Ех, а в интервале времени от £0 + 1 до + 21 - составляющая поля Ег, что необходимо для формирования параметров Стокса I и Q . СВЧ-выключатели 3 и 8 остаются открытыми и на протяжении следующих двух интервалов 1 , но теперь выключатели 13 и 15 поочередно закрываются управляющими напряжениями и3 (рис. 3,в) и Ц4 (рис. 3,г), а на выходе преобразователя поляризаций поочередно формируются ортогонально поляризованные по кругу составляющие поля Ек и Еь, необходимые для формирования параметра Стокса V.
На протяжении двух последующих интервалов (от £0 + 41 до + 61) управляющее напряжение и1 равно нулю, СВЧ-выключатели 3 и 8 открыты, длины плеч C и D удлиняются на Л/8, и волна разлагается в базисе в45, в-45 . СВЧ-выключатели 13 и 15 поочередно закрываются управляющими напряжениями и3 (рис. 3,в) и и4 (рис. 3,г), а на выходе преобразователя поляризаций поочередно формируются ортогонально поляризованные составляющие поля Е45 и Е-45 , необходимые для формирования параметра Стокса и.
Таким образом, на выходе преобразователя поляризаций благодаря синхронной работе СВЧ-выключателей поочередно формируются все ортогонально поляризованные составляющие поля, которые согласно соотношениям (1) и (2) полностью описывают поляризационную структуру анализируемой волны.
К СВЧ-выключателям одновременно предъявляется несколько требований. Во-первых, коэффициент передачи поля волны через открытый выключатель должен приближался к единице, а в закрытом состоянии - к нулю. Во-вторых, запаздывание выходного сигнала относительно управляющего воздействия должно быть минимальным, чтобы импульс выходного поля с возможно большей точностью повторял управляющий сигнал. Выполнение этих требований составляет главное условие прецизионного управления СВЧ-выключателями и радиополяриметром в целом.
В качестве СВЧ-выключателей в дифференциально-коммутационных радиполяри-метрах используются резонансные волноводно-щелевые диафрагмы с р-/-п-диодами, управляемые прямоугольными импульсами и настроенные так, чтобы в открытом состоя-нии коэффициент передачи поля волны приближался к единице (реальные потери мощности в трехсантиметровом диапазоне волн не превышали -0.1 дБ), а в закрытом состоянии - приближался к нулю (реальные потери составляли от -40 до -50 дБ). На практике используются сдвоенные р-/-п-диоды или п - / - р - / - п - структуры. Они легко впаиваются в тонкие волноводные диафрагмы и обеспечивают наилучшие параметры СВЧ-выключателей в режиме пропускания и запирания, т.е. первое условие выполняется.
Для управления СВЧ-выключателями с п - г - р - г - п - структурами в дифференциально-коммутационных радиополяриметрах в Саратовском университете были разработаны специальный электронный блок - устройство управления р-г-п-диодом [9], электрическая схема которого представлена на рис. 4.
Рис. 4. Электрическая схема управляющего устройства
Основным элементом устройства, управляющего п — 1 — р — 1 — п — структурой (на рис.4 изображена символом Б), являются операционный усилитель с асинхронным питанием (ип1 < | иП2 |) и двухтактным усилителем мощности на выходе, охваченный цепью отрицательной обратной связи. Чтобы в режиме запирания СВЧ-выключатель обладал низким сопротивлением, промежуточная область диода из собственного полупроводника (1 — область) должна быть заполнена носителями заряда. Заполнение происходит под действием прямого тока и положительного напряжения на р — области. Паспортное значение прямого тока двух параллельно включенных диодов обычно составляет около 100 мА, но как показали многочисленные эксперименты, полное запирание происходит уже при токе 50 мА. Чтобы быстро создать такой ток, оказалось достаточным с помощью делителя из резисторов Я1 и Я2 задать регулируемое положительное напряжение на неинвертирующий вход операционного усилителя, использовать источник положительного напряжения ЦП1 » 5 ^ 6 В и двухтактный усилитель мощности на транзисторах Т1 и Т2. Напомним, что и операционный усилитель, и усилитель мощности работают в ключевом режиме: когда транзистор Т1 открыт, транзистор Т2 закрыт.
Для быстрого рассасывания накопленных в 1 — области зарядов потребовалось отрицательное напряжение иП 2 = —12 ^—15 В и цепь нелинейной отрицательной обратной связи. Изменение полярности напряжения на выходе операционного усилителя вызывает переключение транзисторов из закрытого состояния в открытое и наоборот, а накопленный заряд стекает через открытый транзистор Т2 с низким сопротивлением. Процесс рассасывания заряда удается значительно ускорить за счет нелинейности обратной связи. Пока управляющее напряжение иупр положительно и превышает напряжение на неинвер-тирующем входе операционного усилителя, обратная связь слабая, но в момент окончания импульса иупр коэффициент передачи операционного усилителя ЯОС / Яв, где Яв - сопротивление сдвоенного диода, сначала скачкообразно возрастает, а затем быстро умень-шается из-за увеличения Яв, и процесс рассасывание зарядов ускоряется в несколько раз.
Для сохранения прямоугольной формы сигналов на выходе СВЧ-выключателей в цепь отрицательной обратной связи вводилась параллельный ЯС-двухполюсник, способствую-щий обострению фронта и спада управляющих импульсов и создающий дополнительное ускорение переходным процессам при накоплении и рассасывании зарядов. Таким образом, второе условие, налагаемое на СВЧ-выключатели, тоже выполняется.
Экспериментальные исследования диафрагм с различными серийно выпускаемыми сдвоенными р-1-п-диодами показали эффективность предложенного устройства управлении и позволили так подобрать тип п — 1 — р — 1 — п — структуры и параметры схемы, что продолжительность рассасывания зарядов сокращалось до 4 мкс, т.е. оказалось почти в шесть раз меньше паспортных значений на серийные приборы. Для устранения взаимного влияния выключателей, расположенных в разных частях преобразователя поляризаций и управляемых одним и тем же напряжением, использовались диодные оптронные пары с высоким быстродействием (например, АОД101А), что позволило с большей точностью синхронизировать СВЧ-выключатели.
Описанная методика управления п — 1 — р — 1 — п — выключателями использовалась во всех конструкциях дифференциально-коммутационных радиополяриметров и многократно подтвердила свою эффективность.
Блок-схема дифференциально-коммуникационного радиополяриметра и формирование параметров Стокса в разностной форме
Рассмотренный преобразователь поляризаций и генератор управляющих напряжений являются основными узлами дифференциально-коммутационного поляриметра. Последовательность сигналов Ех, Ег, Ек, Еь, Е45 и Е—45 полностью характеризует поляризацию волны и достаточна для измерения параметров Стокса в разностной форме. На ранних этапах проектирования радиополяриметров полная интенсивность волны, соответствующая параметру Стокса I, измерялась до преобразователя поляризаций, Эта методика оказалась неэффективной при анализе слабо поляризованного излучения, и полную интенсивность волны представлялось целесообразным тоже измерять дифференциальным методом. Для этого после преобразователя поляризаций можно ввести коммутатор интенсивностей, сравнивающий полную интенсивность волны с эталонной интенсивностью некоторого калибратора. До формирования параметров Стокса интенсивности всех составляющих волны нужно усилить и превратить в соответствующие мощности. Поскольку поляризованные составляющие имеют чрезвычайно малую амплитуду, для усиления необходим ма-лошумящий СВЧ-приемник прямого усиления или супергетеродинный . Приемники прямого усиления, как правило, обладают невысоким коэффициентом усиления. Поэтому в дифференциальных радиополяриметрах и сантиметрового, и миллиметрового диапазонов волн использовались супергетеродинные приемники с балансными смесителями на входе и усилителями промежуточных частот с усилением до 50 дБ. Преобразование интенсивностей поля отдельных поляризованных составляющих в соответствующие мощности осуществлялось хорошо согласованными с усилителем промежуточной частоты параллельными квадратичными детекторами. Таким образом, третий узел радиополяриметра - это СВЧ-блок, содержащий коммутатор интенсивностей и супергетеродинный приемник с квадратичным детектором на выходе. Последний, четвертый узел образуют формирователи параметров Стокса в разностной форме. Полная блок-схема радиополяриметра представлена на рис. 5.
Рис. 5. Функциональная схема дифференциально-коммутационного радиополяриметра
Узел А представляет преобразователь поляризаций и отличается от ранее изображенного на рис. 2 использованием в СВЧ-выключателях п — 1 — р — 1 — п — структур вместо р-1-п-диодов и введе-72
нием калибратора поляризованных составляющих, Последний состоит из эталонного генератора шума 18 на лавинно-пролетном диоде (ДПД), ослабленного постоянным аттенюатором 19, Ток питания генератора 18 модулируется тем же управляющим напряжением, что и устройство управления 16 СВЧ-выключателя 13, и через направленный ответвитель 20 с согласованной нагрузкой 21 поступает в волноводный тракт преобразователя поляризаций. В результате на выходе преобразователя поляризаций периодически возникает дополнительный сигнал точно известной величины, что позволяет калибровать мощности поляризованных составляющих и сопоставлять чувствительность радиометра при измерении полной интенсивности волны и различных поляризованных составляющих.
Узел В является объединением коммутатора интенсивности и СВЧ-приемника. Сигнал с выхода преобразователя поляризаций через СВЧ-выключатель 22 поступает на один из входов волно-водного Е-тройника 26. На другой вход тройника через СВЧ-выклю-чатель 29 подается эталонная интенсивность поля генератора шумов 25 (ЛПД) после ослабления заранее прокалиброванным прецизионным
волноводным аттенюатором 28. Уровень мощности этого сигнала Е2КСШ может задаваться автоматически или изменяться по желанию вручную. Устройства управления выключателями 23 и 30 идентичны использованным в преобразователе поляризаций.
Узел С - это микропроцессорный комплекс, вырабатывающий импульсные управляющие сигналы, необходимые для работы радиополяриметра. Он собран на основе квар-цевого генератора с частотой 32768 Гц. Управляющие напряжения имеют частоту 8192 Гц, а напряжение тактовых импульсов, предназначенных для создания специальных стробирующих сигналов, - частоту 16384 Гц. Период Т управляющих сигналов разделен на восемь равный частей длительностью 122 мкс. Амплитуда импульсов составляет 9 В. Временные изменения основных управляющих и тактовых импульсов представлены на рис. 6. При заданных на рис. 6, б - ж управляющих напряжениях на выходе СВЧ-приемника 27 реализуется следующая последовательность сигналов: Е2КШ, Е2Х, ЕЕЯ, Е^, Е45, Е—'45. Из них создаются поляризационные параметры Стокса.
Рис. 6. Диаграммы управляющих напряжений в радиополяриметре
Узел Б представляет формирователь выходных сигналов радиополяриметра - параметров Стокса в разностной форме. Для этого мощность сигнала с выхода СВЧ-прием-ника одновременно
73
поступает на четыре формирующих устройства, каждый из которых содержит две микросхемы выборки-хранения (УВХ) и дифференциальный усилитель, собранный по схеме измерительного усилителя. В схему формирователя введены несколько логических КМОП-элементов AND (31-32, 37-38, 43-44) и инверторов (24, 36, 42). Рассмотрим процесс образования параметров Стокса в разностной форме подробнее.
При формировании поляризационного параметра Стокса I в течение первой четверти периода T импульс напряжения U5 (рис. 6, в) открывает СВЧ-выключатель 29 и запускает УВХ 48, а инвертированное в элементе 24 напряжение U5 закрывает СВЧ-выклю-чатель 22. На СВЧ-приемник 27 поступает калиброванная интенсивность шумов, а на выходе приемника создается мощность Егкст, которую запоминает УВХ 48. По окончании действия U5 выключатель 22 открывается, запускается
УВХ 49, а выключатель 29 закрывается на остальные три четверти периода T. На выходе приемника 27 поочередно появляются мощности всех поляризованных составляющих волны, но УВХ 49 в соответствии с управляющим напряжением U6 и стробирующим сигналом UT запоминает только сумму
мощностей E2x и Ej . Таким образом, на протяжении полупериода на выходе дифференциального усилителя 50 возникает мощность (E2X + Еу ) — Егкст, соответствующая параметру Стокса 1ИЗМ в разностной форме.
В течение второй четверти периода одновременно с запоминанием суммы мощнос-тей EX и Е^ осуществляется измерение параметра Стокса Q. Совместное действие управляющих сигналов U2 и U6 (см. рис. 6, в, ж) на входах логического элемента 44 запускает УВХ 46, и в течение T /8 запоминается мощность EX . Затем на входах логического элемента 43 возникают управляющие напряжения U2 (инертированное инвертором 42) и U6 , а УВХ 45 запоминает мощность Е;. На выходе дифференциального усилителя 47 возникает разность мощностей EX — Ej, соответствующая параметру Стокса QmM .
При формировании четвертого параметра Стокса V используется третья четверть периода T управляющих импульсов. СВЧ-выключатели 3 и 8 остаются закрытыми, и волна, как и на протяжении первого полупериода, разлагается на поляризованные по кругу составляющие ER и EL, но выключатели 13 и 15 поочередно изменяют состояния запирания и пропускания, формируя на выходе приемника 27 мощности ER и EJ, которые запоминают УВХ 33 и 34. Логические элементы 31 и 32 открывают УВХ под воздействием стробирующего сигнала UT при появлении на входах U1 и U3 или Uj и U4 . При этом на выходе дифференциального усилителя 35 возникает разность мощностей ER — Ej?, соответствующая параметру Стокса VmM .
Третий параметр Стокса U формируется в течение последней четверти периода T управляющих импульсов. СВЧ-выключатели 3 и 8 открываются (рис. 6, б), волна разлагается на поляризованные составляющие Е45 и Е—45, а выключатели 13 и 15 поочередно передают эти составляющие на вход модулятора
интенсивностей, формируя на выходе приемника 27 мощности Е2А5 и Е—'45, которые запоминают УВХ 39 и 40. Логические элементы 37 и 38 выполняют такие же функции, как при формировании параметра Стокса V , а разность мощностей Е45 — Е—'45 соответствует параметру Стокса UE3M.
Описанная методика формирования параметров Стокса в разностной форме позволяет резко ослабить влияние помех и других дестабилизирующих факторов, так как сигналы помех запоминаются одновременно с измеряемыми компонентами волны и полностью уничтожаются при формировании разности мощностей.
Комплексная система синхронного управления СВЧ-выключателями
В дифференциально-коммутационных радиополяриметрах использована сложная система управления СВЧ-выключателями и формирователями па-раметров Стокса. Регламент функционирования системы управления целиком определяется работой преобразователя поляризаций, использу-
ющего совместное включение n — i — p — i — n — структур. Как следует из рис. 6, например, спад импульса U3 должен строго совпадать со фронтами управляющих импульсов U1, U2 и U6, а спады импульсов U3 с фронтами импульсов U4. На точность разложения волны на ортогональные составляющие и измерения их мощностей влияют потери мощности при неполном открывании и запирании выключателей, а также различная продолжительность переключения из режима пропускания в режим запирания и обратно. Потери энергии удается свести к минимуму в преобразователе поляризаций с n — i — p — i — n — структурами в качестве СВЧ-выключателей и 0 — p -фазовращателя, но дефекты управления остаются.
Качество управления элементами радиопояриметра прежде всего зависит от общего количества СВЧ-выключателей и числа переключений каждого выключателя из открытого состояния в закрытое и обратно. Преобразователь поляризаций содержит четыре выключателя, два из которых регулируют длину короткозамкнутых плеч турникетного соединения, а два другие определяют режимы разложения волны на ортогональные составляющие. Еще два выключателя обеспечивают сравнение полной мощности волны и мощности эталонного источника шума. Это - минимальное число выключателей и сократить его не возможно.
Каждое переключение из состояния пропускания в состояние запирания и обратно вызывает запаздывание огибающей выходного сигнала относительно управляющего напряжения из-за переходных процессов при переключениях. Огибающая мощности на выходе преобразователя поляризаций для открытого состояния СВЧ-выключателя имеет трапецеидальную форму, но при переключении коммутатора поляризаций (элементы 13 и 15 на рис. 5) огибающая выходной мощности изменяется более сложно. Чтобы минимизировать эти искажения был выбран такой режим синхронизации управления СВЧ-выключателями, при котором четыре выключателя из шести за период измерений только один раз переключается из режима запирания в режим пропускания и обратно (см. рис. 6, б -в, е - ж), а выключатели 13 и 15 - дважды за период измерений (см. рис. 6, г - д).
Использование микропроцессорного комплекса для создания напряжений, управляющих работой радиополяриметра, открыло дополнительные возможности для синхронизации процессов управления в преобразователе поляризаций и формирователе параметров Стокса. Было решено синхронизовать не только процессы управления СВЧ-выключа-телями, но и процесс считывания и запоминания выходных мощностей в формирующих устройствах радиополяриметра. С этой целью в микропроцессорном блоке создан генератор тактовых импульсов, из которых в соответствии с программой микропроцессора создаются стробирующие импульсы, управляющие устройствами выборки-хранения и дифференциальными усилителями.
Таким образом, СВЧ-выключатели, устройства выборки-хранения и выходные дифференциальные усилители объединяются в комплекс устройств, синхронно управляемых микропроцессорным блоком. Программирование и тестирование такой комплексной системы управления радиополяриметром потребовало создания специальной измерительной системы, включающей прецизионные источники поляризованного излучения, панорамный измеритель коэффициентов отражения и затухания и стробоскопические осциллографы. В результате индивидуальной подстройки элементов радиополяриметра и коррекции программ микропроцессорного комплекса точность измерения поляризационных параметров волны и расчета параметров Стокса увеличилась в среднем в два раза, причем точность определения параметра Q - максимально подверженного действию помех и неточностей обработки, возросла в четыре раза.
Решающее преимущество предложенной системы управления радиополяриметром и обработки поляризационной информации выявилось, когда параметры Стокса, измеренные модернизированным поляриметром, были обработаны матричным методом с вычислением матрицы Мюллера и числа обусловленности [7]. Оказалось, что теперь матричный метод не позволяет увеличить точность измерений, и сложные матричные вычисления не требуются.
ЛИТЕРАТУРА
1. Khokhlov A.V. Differential-gated method of the microwave space radiation polarisation analysis // Turkish Journal of Physics. 1996. Vol. 20. No.8. P. 936-942.
2. Хохлов А.В. А.С. 1672535 СССР. Модуляционный радиополяриметр // Б.И. 1991. № 31. С.
3. Хохлов А.В., Мясников А.В. К теории дифференциально-коммутационного радиополяриметра СВЧ // Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40. Вып. 4. С. 675-684.
4. Хохлов А.В., Бровко А.В. Прецизионные дифференциально-коммутационные радиополяриметры СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Практические реализации и перспективы использования // Приборы и техника эксперимента. 2000. № 3. С. 88-97.
5. Хохлов А.В. О согласовании антенно-фидерных систем в дифференциально-коммутационных поляриметрах СВЧ- и КВЧ-излучения // Успехи современной радиоэлектроники, 2008. № 9. С. 17-24.
6. Kostinski A.B., Manson A.C., Boerner W.-M. On foundations of system radiopolari-metry // IEEE Trans. 2001. Vol. AP- 61. № 7. P. 481-498.
7. Хохлов А.В., Мясников А.В. Минимизация относительной погрешности измерения поляризации миллиметровых волн дифференциально-коммутационным методом // Приборы и техника эксперимента. 1996. № 5. С.80-84.
8. Хохлов А.В., Брянцева О.В. О внутреннем согласовании турникетных разделителей поляризации // Письма в ЖТФ . 1991. Т. 17. Вып. 13. С. 16-20.
9. Епифанова О.В., Хохлов А.В. А.с. 1656609 СССР. Устройство управления PIN-диодом // Б.И. 1991. № 22. С. 213.
Хохлов Артур Вениаминович - Artur V. Hohlov-
доктор физико-математических наук, профессор Dr.Sc., Professor кафедры радиофизики и нелинейной динамики Department of Radiophysics Саратовского государственного университета and Non-Linear Dynamics, им. Н.Г.Чернышевского Chernyshevsky Saratov State University
Статья поступила в редакцию 22.11.14, принята к опубликованию 22.12.14
