УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШУМОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ НА СВЧ Российский патент 1997 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям параметров активных приборов на СВЧ.

При конструировании современных радиоприемных устройств необходимо учитывать шумовые свойства различных элементов.

Для описания шумов линейного стационарного трехполюсника, в частности СВЧ транзистора, на частоте f₀ нужно знать спектры входного i₁ и выходного i₂ токов и их взаимный спектр [1]В качестве характеристик токов можно использовать шумовые проводимости G_n1, G_n2 и взаимную шумовую проводимость Y_n1,2, определяемые равенствами

где k-постоянная Больцмана,
T-температура транзистора;
Δf полоса частот в окрестности f₀.

Из формул (1) видно, что шумовые свойства транзистора полностью описываются четырьмя параметрами: G_n1, G_n2 и комплексным Y_n1,2. Существует и другая система параметров, связанная с первой соотношениями

где U₂-напряжение на выходе транзистора, перечитанное к входу;
y₂₁-одна из компонент матрицы, проводимостей транзистора.

Коэффициент шума транзистора F на частоте f₀ полностью описывается системой параметров (1) или (2).

Для описания шумовых свойств транзисторов широко используется еще одна система шумовых параметров, включающая F_min-минимальное значение коэффициента шума F, величину оптимальной комплексной проводимости на входе транзистора Y_so=G_so+jB_so, при которой F=F_min и значение R_n.

Коэффициент шума транзистора на частоте f₀ при произвольной нагрузке Y_s= G_s+jB_S определяется из выражения

Известно устройство, позволяющее измерять шумовые параметры транзистора (2) непосредственно путем измерения выходных шумовых напряжений транзистора при коротком замыкании и холостом ходе на его входе, входной комплексной проводимости и усиления по напряжению [1]
Недостатком этого устройства является принципиальное ограничение, связанное с возможностью использовать его только на низких частотах (звуковых и видеочастотах).

Известно устройство для измерения шумовых параметров транзисторов на СВЧ F_min, R_n, G_so, B_so, взятое за прототип, содержащее схему с управляемыми схему с управляемыми параметрами, включенную между входом измеряемого транзистора и шумовым генератором [1, рис.7.13] Варьируя управляемыми параметрами добиваются минимальной величины коэффициента шума F_min, а затем с помощью измерителя полных проводимостей измеряют величину оптимальной проводимости Y_so=G_so+jB_so.

Недостатком этого устройства является необходимость использования измерителя полных проводимостей, а также сложность в осуществлении автоматизации процесса измерения из-за необходимости переключения измерительных каналов.

Целью изобретения является упрощение процесса измерения и автоматизации.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения шумовых параметров транзисторов на СВЧ, содержащем измерительную схему с управляемыми параметрами, включенную между входом измеряемого транзистора и шумовым генератором, измерительная схема выполнена в виде центрального проводника и двух неравных отрезков линии передач, подключенных через управляемые pin-диоды к центральному проводнику на расстоянии λ/4 от плоскости включения транзистора, где λ/ длина волны, в линии передачи на центральной частоте измеряемого диапазона.

В упомянутой конструкции устройства для измерения шумовых параметров транзистора на СВЧ отрезки линий передачи подключены к центральному проводнику с помощью металлических контактов, закрепленных на концах диэлектрических стержней, управляемых электромеханическим способом.

На чертеже представлен один из вариантов предлагаемого устройства.

Устройство состоит из измеряемого транзистора 1, центрального проводника 2, отрезков линий передачи 3, pin диодов 4, шумового генератора 5, измерителя 6 коэффициента шума.

Работа устройства основана на методе, изложенном в [1] Измеряются значения коэффициента шума транзистора при четырех различных значениях полной проводимости на входе транзистора при заданной проводимости шумового генератора. В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве функции управляемых параметров выполняют отрезки линий передачи, подключаемых к центральному проводнику. Это позволяет измерять значения коэффициента шума транзистора при четырех разных значениях полной проводимости на входе транзистора при заданной проводимости шумового генератора.

Предлагаемая измерительная схема позволяет реализовать четыре нагрузки на входе транзистора
Y_s1=G_s1+jB_s1 при включенных диодах Д₁ и Д₂; Y_s2=G_s2+jB_s2-Y_s3=G_s3+jB_s3=Д₁ выключен, Д₂ включен; -Д₁ включен, Д₂-выкл, Y_s4=G_s4+jB_s4-Д₁ и Д₂ включены,
где Y_si-полная проводимость нагрузки со стороны транзистора .

Если для каждой из этих нагрузок измерить значения коэффициента шума (F₁, F₂, F₃, F₄ соответственно) и подставить их в формулу (3), то получим систему четырех уравнений типа

где i=1, 2, 3, 4 с четырьмя неизвестными F_min, R_n, G_so, B_so.

Решение этой системы единственно и может быть получено в аналитическом виде.

A₁₂₃=b₁₂g₁₃-b₁₃g₁₂, A₁₂₄=b₁₂g₁₄-b₁₄g₁₂,
C₁₂₃=p₁₂g₁₃-p₁₃g₁₂, C₁₂₄=p₁₂g₁₄-p₁₄g₁₂,
D₁₂₃=r₁₂g₁₃-r₁₃g₁₂, D₁₂₄=r₁₂g₁₄-r₁₄g₁₂,
g_1k=G_s1-G_sk,
b_1k=B_s1-B_sk,
r_1k=G2s1

Выражение для частного случая, когда G_s2=G_s3=G_s4, совпадают с (5) и приведены в работе [1]
Пример. В качестве примера рассмотрим конструкцию микрополоскового устройства для измерения шумовых параметров транзистора, выполненную на диэлектрической подложке толщиной h=1 мм с диэлектрической проницаемостью ε 9.6. Ширины центрального проводника и отрезков линий составляет W ≃ 1мм, что эквивалентно волновым сопротивлениям 50 Ом. Измерения проводились на частоте f₀= 4,0 ГГц. Длины отрезков равнялись l₁=λ/6= 5 мм и мм, расстояние между плоскостью включения отрезков линии и входом транзистора . Отрезки линий передачи подключались к центральному проводнику с помощью металлических контактных пластинок. Полные проводимости Y_si на частоте f₀ составили

Измерения проводились для транзистора 3П326А. Измеренные значения коэффициентов шума при четырех входных проводимостях (6) равнялись
F₁=2,6 дБ; F₂=4,7 дБ;
F₃=1,5 дБ; F₄=3,3 дБ.

Рассчитанные значения шумовых параметров транзистора составили
F_min=1,3 дБ; R_n=23 Ом;
G_so=0,017 см; B_so=-0,025 см.

Таким образом предлагаемое устройство позволит определить значения всех четырех шумовых параметров, полностью характеризующих шумовые свойства трехполюсника (транзистора) без использования измерителя полных сопротивлений, как это имеет место в прототипе.

Отсутствие необходимости измерять полные сопротивления цепи значительно упрощает процесс измерений, который сводится к дискретному электрическому переключение pin-диодов либо к перемыканию металлическими контактами зазоров между центральным проводником и отрезками линий передачи и может быть легко автоматизирован.

Источники информации
1. Жалуд В. Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. М. Советское радио; Прага. Издательство технической литературы, 1977 г.

Использование: измерение параметров активных приборов на СВЧ. Сущность изобретения: к центральному проводнику устройства с помощью pin-диодов подключены два неравных отрезка линии передачи, что позволяет упростить процесс измерения. 1 ил.

Устройство для определения шумовых параметров транзисторов на СВЧ, содержащее измерительную схему с перестраиваемыми параметрами, включенную между генератором шума и входом контролируемого транзистора, выход которого подключен к измерителю коэффициента шума, отличающееся тем, что измерительная схема выполнена в виде центрального проводника, средняя часть которого соединена с катодами двух pin-диодов, аноды которых соединены с соответствующими неравными отрезками линий передачи, при этом концы центрального проводника соединены с генератором шума и входом контролируемого транзистора, а расстояние между точкой подключения катодов pin-диодов и входом контролируемого транзистора составляет λ/4, где λ - длина волны на центральной частоте диапазона измерения.