Компактный СВЧ радиометр с автономным питанием

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены основные подходы к конструированию малогабаритного СВЧ радиометра с батарейным питанием. На основе предложенных подходов разработан действующий макет радиометра. Приведены экспериментально определенные параметры прибора.

ABSTRACT

The main approaches to designing a compact microwave radiometer with battery power are considered. Based on the proposed approaches, a working model of the radiometer has been developed. Experimentally determined parameters of the device are given.

Дистанционные методы измерений с помощью СВЧ радиометров нашли широкое применение в задачах исследования подстилающей поверхности Земли и планет [1], медицине [2], для обнаружения скрытых предметов [3]. В ряде случаев для этого требуются малогабаритные устройства с автономным питанием от аккумуляторов или батарей и работающие в широком диапазоне температур окружающей среды.

Задача создания таких СВЧ радиометров может быть решена путем использования миниатюрных электронных компонентов и современных химических элементов питания. В настоящее время выпускается достаточно широкая номенклатура интегральных схем, предназначенных для работы на различных частотах диапазона СВЧ. Налажен также выпуск химических батарей и аккумуляторов с большой удельной емкостью.

СВЧ микросхемы выпускаются как в бескорпусном исполнении (кристаллы, чипы), так и в малогабаритных корпусах. Наименьшие габариты устройств получаются при использовании бескорпусных изделий, но для защиты от воздействия внешней среды такие микросхемы приходится помещать в герметичный внешний корпус. При этом должны выполняться жесткие требования к конструкции, качеству герметизации и составу атмосферы внутри корпуса. Для выполнения СВЧ цепей обычно используются печатные платы из керамики, а соединения компонентов проводятся с помощью микросварки. Технологический процесс использования бескорпусных микросхем обеспечивается дорогостоящим специальным оборудованием, необходимым для изготовления печатных плат, монтажа используемых компонентов и для обеспечения нужных параметров корпуса.  

Примером устройства, выполненного в основном на бескорпусных элементах, может служить миниатюрный высокочувствительный радиометр, предназначенный для работы на частотах от 33 до 38 ГГц. Радиометр разработан в НПП Сатурн, г. Киев, Украина [4]. Габариты прибора равны 80 x 14 x 13 мм, масса – 40 г. В состав прибора не входят источник питания и антенны. Радиометр потребляет около полуватта и работоспособен в диапазоне температур от минус 40 до +50 ⁰С.

В отличие от случая применения бескорпусных компонентов, технология использования СВЧ микросхем в корпусах значительно проще и экономичнее. При этом могут применяться стандартные печатные платы и стандартное оборудование для поверхностного монтажа. Корпуса современных СВЧ микросхем выполняются без выводов, и они хорошо приспособлены для соединения с печатными микрополосковыми линиями. Габариты микросхем в подобных корпусах сравнимы с габаритами бескорпусных аналогов.

Габариты и масса батареи питания радиометра определяется потребляемой прибором мощностью и удельными параметрами выбранного химического источника. Для упрощения конструкции радиометра желательно использовать комплектующие элементы, допускающие работу непосредственно от батареи. При этом из схемы исключается преобразователь напряжения, создающий значительные электромагнитные помехи. Если применить низковольтные комплектующие, возможно отказаться от батареи и применить в качестве источника питания одиночный гальванический элемент.

В качестве источника питания наиболее подходят сухие литиевые гальванические элементы. В качестве примера можно привести тионол-хлоридный литиевый элемент LCH-14 фирмы Saft, Франция [6]. Элемент обеспечивает напряжение порядка 3.5 В при емкости 14 А-ч и массе 105 г.

В качестве СВЧ усилителей радиометра с автономным питанием должны применяться низковольтные микросхемы с небольшим током потребления. Могут быть использованы, например, микросхемы фирмы Analog Devices, США [5]. Параметры микросхем приведены в таблице 1.

Таблица1.

Параметры усилительных СВЧ микросхем

Аналоговые и цифровые компоненты низкочастотных узлов радиометра должны выбираться по тем же принципам, что и СВЧ комплектующие: низкое напряжение питания и минимальная потребляемая мощность. Обычно большая часть мощности потребления в низкочастотных узлах приходится на микроконтроллер, поэтому выбор микроконтроллера – очень важная задача.

В качестве примера такого микроконтроллера можно рассматривать микросхему MSP430F2619S-HT фирмы Texas Instruments, США. В таблице 2 приведены основные характеристики микросхемы [7].

Таблица 2.

Основные характеристики микросхемы MSP430F2619S-HT

На основании подходов, изложенных выше, был разработан действующий макет компактного радиометра РБ с автономным питанием. Структурная схема радиометра РБ показана на рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема радиометра РБ

Радиометр РБ выполнен по схеме прямого усиления. Это позволяет уменьшить потребляемую мощность и исключить паразитные излучения из антенн прибора. Для обеспечения модуляционного режима измерений на входе радиометра установлен СВЧ переключатель на три направления. К входным зажимам переключателя подключены: антенна 1, антенна 2 и согласованная СВЧ нагрузка. Физическая температура нагрузки контролируется встроенным в нагрузку термодатчиком. В зависимости от того, какие входы переключателя коммутируются, возможны четыре режима работы прибора:

1) измерение разности радиояркостных температур антенны 1 и согласованной нагрузки (коммутация двух верхних на рис. 2 входов);

2) измерение разности радиояркостных температур антенны 2 и согласованной нагрузки (коммутация двух нижних входов);

3) измерение разности радиояркостных температур антенны 1 и антенны 2 (коммутация крайних входов);

4) измерение уровня «нуля» прибора (постоянно подключен средний вход).

Управление входным переключателем осуществляется микропроцессором прибора. С выхода переключателя сигнал поступает на усилитель, выполненный на трех микросхемах типа HMC565LC5, затем на СВЧ фильтр, формирующий полосу рабочих частот, затем – на СВЧ детектор и усилитель низкой частоты (УНЧ). С выхода УНЧ сигнал поступает на встроенный аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера MSP430F2619S-HT. Микроконтроллер осуществляет программное синхронное детектирование низкочастотного сигнала, его накопление и формирование цифровых кадров, содержащих данные. Кадры с данными поступают на цифровой выход прибора.

В диапазоне рабочих температур в УНЧ осуществляется грубая термокомпенсация ухода коэффициента усиления прибора. Точная компенсация уходов осуществляется программным образом, исходя из текущей температуры радиометра, измеренной встроенным термодатчиком.

Фотография радиометра РБ с антеннами приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Радиометр РБ

Основные параметры радиометра РБ приведены в таблице 3.

Таблица 3

Основные параметры радиометра РБ

Выводы

Разработаны основные подходы и требования к составляющим частям компактного радиометра СВЧ с автономным питанием. На основании этих требований разработан и изготовлен действующий макет радиометра. Результаты испытаний макета подтвердили правильность разработанных подходов.