У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової проблеми підвищення чутливості і точності вимірювання, розширення робочих частот та функціональних можливостей високочутливих модуляційних структур радіометричної апаратури НВЧ-діапазону за рахунок нових методів і засобів перетворення, виділення та вимірювання інформативних параметрів надзвичайно слабких сигналів від різноманітних джерел мікрохвильових випромінювань на тлі шумових завад за інтенсивністю зіставлених або більших за інтенсивність вимірюваних сигналів.

1. Проаналізовано існуючі методи та теоретичні підходи до проектування високочутливої радіометричної апаратури, на основі чого обґрунтовано вибір методу модуляційно-комутаційного перетворення, як найбільш перспективного для вимірювання інформативних параметрів надзвичайно слабких НВЧ-сигналів, рівень яких зіставлений або менший ніж рівень власних шумів елементів радіометричного каналу - підсилювачів, масштабних і функціональних перетворювачів.

2. Подальшого розвитку отримала теорія модуляційних радіометричних приладів, яка основана на виділенні вузькосмугових і широкосмугових інформаційних сигналів на фоні шумових завад за рахунок придушення флуктуаційних складових в околицях частоти модуляції з використання алгоритму первинного заміщення, інвертування та протиставлення сигналів в радіометричних каналах, що забезпечило зниження флуктуаційного порогу, підвищення чутливості та точності НВЧ-апаратури.

3. Вперше обґрунтовано методи побудови НВЧ-структур з використанням додатного і від'ємного зворотного зв'язків. Показано, що введення ДЗЗ в радіометричному модуляційному вимірювачі збільшує його чутливість порівняно з розімкнутою схемою - у разів, а практично в десятки разів (10-50 разів). Доказано доцільність використання ВЗЗ у вимірювачах з наявністю запасу чутливості для стабілізації його режиму роботи, оскільки коефіцієнт підсилення при цьому зменшується в разів.

4. Подальшого розвитку отримали структурно-функціональне моделювання та теорія побудови високочутливих одноканальних модуляційних структур радіометричної апаратури НВЧ-діапазону з використанням декількох частот комутації, роздільним синхронним детектуванням низькочастотних сигналів, що забезпечує розширення функціональних можливостей за рахунок вимірювання декількох параметрів та двохканальних РС з періодичним інвертуванням сигналу проміжної частоти і придушенням корельованих шумів перетворюваних сигналів, що забезпечує вищі метрологічні параметри - флуктуаційну чутливість - Р_min 110^-12 Вт, швидкодію - 1-5 сек, діапазон робочих частот - впритул до 300 ГГц та розширені функціональні можливості щодо вимірювання потужності, авто - і взаємокореляційної функції та фазового зсуву.

Вперше розроблено структури приймальних модуляційних радіометрів спеціального призначення для вимірювання параметрів зовнішніх ЕМП і випромінювань фізичних тіл та біологічних об'єктів, в тому числі: пристрої вимірювання потужності й оцінки кореляційних характеристик сигналів, вузькосмугові радіометри і спектроаналізатори, диференційні та фазочутливі вимірювачі, РС селективного випромінювання, що забезпечує вимірювання широкої номенклатури інформативних параметрів.

5. Вперше запропоновано методи і засоби вимірювання характеристик об'єктів живої та неживої природи в зовнішніх ЕМП, зокрема з інтенсивністю близькій до інтенсивності власних випромінювань об'єктів, що дозволяє враховувати вплив власних полів на кінцевий результат вимірювання. Запропоновано нові одноканальні структури РС радарного типу з часовим розділенням сигналів, розширеними функціональними можливостями, що дозволяє реєструвати потужність ЕМВ, коефіцієнти відбиття та поглинання, зсуви фаз, частоти поглинання, вимірювати діелектричну проникність та вологість матеріалів і речовин.

6. Вперше запропоновано метод розділення прийнятого сигналу біооб'єктів на дві складові - біоінформаційну та радіотеплову, заснований на порівнянні сумарного сигналу з радіотепловим сигналом і подальшим виділенням різницевого сигналу за допомогою комутаційно-модуляційного перетворення, що забезпечує оцінювання рівня метаболізму біооб'єкта та дозволяє проводити діагностику стану організму людини.

7. Подальшого розвитку отримало дослідження похибок КМП на p-і-n-діодах в режимі вимикача і перемикача та радіометричного модуляційного вимірювача в цілому, дослідження впливу на похибки неузгодження, неідентичності коефіцієнтів передачі p-і-n-ключів, асиметрії тривалості комутуючих імпульсів, температури та частоти вхідного сигналу, власних шумів НВЧ-тракту. Доказано розрахунковим та експериментальним шляхом, що похибка вимірювання потужності в діапазоні частот 37,5-78,3 ГГц має значення 3 дБ, а впровадження рекомендацій по зниженню похибок дозволяє зменшити сумарну похибку вимірювання до рівня 2 дБ. Розроблено та досліджено засоби калібровки й оцінки метрологічних характеристик радіометричної апаратури - генератор еталонного шуму та високостабільний генератор монохроматичних коливань. Запропоновано методи оцінки основних метрологічних характеристик радіометричних вимірювачів - чутливості, діапазону робочих частот, нерівномірності коефіцієнта передачі із застосуванням стандартних і нестандартизованих методик та засобів.

8. Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні основ проектування високочутливої радіометричної апаратури НВЧ-діапазону для вимірювання інформативних параметрів надзвичайно слабких сигналів, рівень яких зіставлений або менший за рівень власних шумів апаратури та вирішення наукових і прикладних задач. Одержано результати дозволили розробити та впровадити ряд нових типів мікрохвильової апаратури для потреб фізики, біології і медицини.

9. Завдяки впровадженню результатів дисертаційної роботи:

а) створено і акредитовано спеціалізовану вимірювальну лабораторію та систему метрологічного забезпечення малопотужної медичної апаратури мм-діапазону в Україні, а НДЦ КМ "Відгук" призначено головною організацією МОЗ України з питань електричних та радіотехнічних вимірювань;

б) поглиблено наукові дослідження електромагнітних полів і випромінювань у галузях фізики і фізики живого, біології і медицини, в тому числі:

розроблено нові типи мікрохвильової апаратури вимірювального, діагностичного та лікувального призначення;

зареєстровано власне мікрохвильове випромінювання фізичних тіл та біологічних об'єктів;

створено апаратурну можливість для розкриття кореляційних зв'язків параметрів власного ЕМВ із станом об'єктів дослідження;

зареєстровано зворотні потоки мікрохвильового ЕМВ;

– розроблено нові мікрохвильові технології для різних сфер народного господарства, включаючи медицину та переробну промисловість.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Горбань Е.Н., Яненко А.Ф., Перегудов С.Н. Аппаратура случайных сигналов мм-диапазона для МРТ // Український журнал медичної техники і технологій. - 1999. - № 2-3. - С. 20-25.

Москаленко В.Ф., Горбань Є.М., Яненко О.П. Організація метрологічного забезпечення апаратури квантової медицини в Україні // Український журнал медичної техніки і технологій. - 2000. - № 1-2. - С. 20-25.

Сітько С.П., Скрипник Ю.О., Манойлов В.П., Яненко О.П. Діагностично-лікувальна система для мікрохвильової міліметрової резонансної терапії // Український журнал медичної техніки і технологій. - 1999. - № 4. - С.23-26.

Скрипик Ю.О., Манойлов В.П., Яненко О.П. Пути увеличения эффективности и электробезопасности аккупунктурной диагностики // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 2002. - ІІІ (22). - С.72-78.

Скрипник Ю.О., Осадчий В.П., Яненко О.П. Мікрохвильова радіометрія в технологіях контролю молокопродуктів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2001. - № 1. - С.151-155.

Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф., Іващенко В.О. Мікрохвильова радіометрична система реєстрації поглинальної здатності об'єктів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2000. - № 7. - С.86-92.

Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф. Развитие представлений об излучающей и поглощающей способности биологических объектов в диапазоне сверхвысоких частот // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1999. - № 2. - С.135-138.

Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Модуляційні радіометри: структури, основні співвідношення та особливості // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 2001. - № 17. - С.53-60.

Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Шляхи зниження чутливості вимірювачів слабких сигналів // Вісник Львівського політехнічного інституту. - 2001. - № 420. - С. 20-27.

Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Селективне розділення структурного складу електромагнітних випромінювань // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1999. - № 3. - С.141-144.

Скрипник Ю.О. Маковська В.Ю., Яненко О.П. Мікрохвильовий аналізатор спектрів електромагнітного випромінювання біологічних об'єктів // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 1999. - № 10. - С.177-180.

Скрипник Ю.А., Скрипник И.Ю., Стародуб М.П., Яненко А.Ф. Автоматизация резонансных измерений // Техника средств связи. Радиоизмерительная техника. - 1989. - Вып.3. - С.79-84.

Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Модуляційні радіометричні системи ближньої дії НВЧ-діапазону: класифікаційні ознаки // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2001. - № 5. - С.80-83.

Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Оцінка похибки модуляційного перетворювача у режимі перемикача // "Автоматика, вимірювання та керування". - Вісник Львівського політехнічного інституту. - 2002. - № 445. - С.42-45.

Шаповаленко О.І., Янюк Т.І., Яненко О.П. Пшеничні зародки. Електромагнітна стабілізація якості // Зерно і хліб. - 2001. - № 1. - С.34-35.

Яненко О.П. Методи та засоби калібровки високочутливих радіометричних систем мм-діапазону // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 1999. - № 6. - С.93-97.

Яненко О.П. Оцінка поглинальної здатності об'єктів модуляційним радіометром // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2000. - № 3. - С.55-57.

Яненко О.П. Мікрохвильова радіометрія фізичних і біологічних об'єктів // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 1999. - № 11. - С.115-120.

Яненко О.П. Оцінка граничної чутливості мм-діапазону // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 1999. - № 9. - С.189-192.

Яненко О.П. Основнi принципи побудови високочутливих комутацiйно-модуляцiйних радiометрiв мiлiметрового дiапазону // Вiсник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 1998. - № 8. - С.111-118.

Яненко О.П. Метрологія апаратури квантової медицини // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск. - Ч.1. - К.: 2000. - С.108-111.

Яненко О.П. Особливості квадратичного перетворення низькоінтенсивних сигналів мм-діапазону // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 2000. - № 13. - С.64-69.

Яненко О.П. Пристрої зміщення частоти сигналів вимірювальних приладів НВЧ-діапазону // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 1998. - № 7. - С.168-171.

Яненко О.П. Оцінка похибки від неузгодження вимірювання параметрів мікрохвильової апаратури квантової медицини // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2000. - №6. - С.100-103.

Яненко О.П. Оцінка похибки p-і-n-модуляторного ключа методом еквівалентного чотириполюсника // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 2001. - № 19. - С.98-101.

Авторські свідоцтва та патенти

Яненко О.П. Високочутливі модуляційні структури радіометричної апаратури НВЧ-діапазону. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.08 - Радіовимірювальні прилади.

Вінницький державний технічний університет, м. Вінниця, 2003 р.

Дисертаційну роботу присвячено питанням розвитку теоретичних основ та нових принципів і методологій побудови високочутливих модуляційних структур радіометричної апаратури НВЧ-діапазону, а також методів і засобів підвищення їхньої чутливості та точності, зниження флуктуаційного порогу до значень Р_min < 110^-12 Вт, розширення частотного діапазону та функціональних можливостей на основі аналізу впливу власних шумів на чутливість вимірювача.

Проаналізовано основні співвідношення процесу перетворення у радіометричному каналі модуляційного вимірювача, виявлені причини зниження чутливості з використанням комутаційно-модуляційного перетворення, досліджено вплив параметрів окремих блоків каналу на флуктуаційну чутливість. Показано, що основною причиною зниження чутливості модуляційному вимірювачу є проходження на його вихід шумових частотних складових, наближених до частоти комутації, запропоновані варіанти зниження цього впливу. Експериментально перевірено можливості підвищення флуктуаційної чутливості та відповідність її розрахунковим показникам.

Розвинуто теорію використання додатного і від'ємного зворотного зв'язку для покращення характеристик модуляційних вимірювачів. Показані можливості зворотних зв'язків в НВЧ-радіометрах для зниження флуктуаційного порогу, підвищення чутливості, зниження похибки і підвищення швидкодії.

Розроблено нові принципи побудови структур спеціалізованих приймальних і радарних модуляційних вимірювачів енергетичних параметрів сигналів, кореляційних та частотних характеристик, коефіцієнтів поглинання і відбиття, розроблені алгоритми їх роботи, досліджено джерела похибок, запропоновано рекомендації по їх зменшенню та методи перевірки основних параметрів. Наведені приклади і результати практичного використання розроблених радіометричних систем для метрологічного забезпечення апаратури медичного призначення, наукових досліджень електромагнітних полів і випромінювань фізичних тіл та біооб'єктів.

Ключові слова: радіометрична апаратура, модуляційне перетворення, флуктуаційний поріг, чутливість, приймальний вимірювач, радарна система, зворотний зв'язок, похибка, метрологічне забезпечення.

Аннотация