КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ФЛУКТУАЦИЙ СВЧ-ПРИБОРОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к способам измерения низкочастотных флуктуаций СВЧ приборов.

Известен корреляционный способ измерения низкочастотных флуктуаций СВЧ приборов, заключающийся в попеременном суммировании и вычитании выходных напряжений двух СВЧ детекторов, осуществляющих детектирование исследуемого СВЧ колебания [1]
Известный способ не обеспечивает высокой точности измерений, когда величина измеряемых шумов меньше уровня собственных шумов детекторов и измерительного устройства, так как при этом осуществляется вычитание очень близких по величине напряжений.

Наиболее близким к предлагаемому является корреляционный способ измерения низкочастотных флуктуаций СВЧ приборов, в соответствии с которым осуществляют детектирование исследуемого СВЧ колебания двумя независимыми СВЧ детекторами, из переменных составляющих выходных напряжений которых U_1~(t) и U_2~(t), содержащих напряжения продетектированных флуктуаций исследуемого СВЧ колебания U_фл~(t) и напряжения собственных шумов соответствующего детектора, путем корреляционной обработки выходных напряжений двух независимых СВЧ детекторов U_1~(t) и U_2~(t), проводимой при наличии и отсутствии дополнительной калиброванной модуляции исследуемого СВЧ колебания, выделяют напряжения продетектированных флуктуаций U_фл~(t) исследуемого СВЧ колебания и определяют дисперсию напряжения U_фл~(t) [2, c. 111]
Недостатком этого способа измерения является низкая точность измерения вследствие возникновения ошибок при калибровке. При малых мощностях калибровочного сигнала, соизмеримых с уровнем измеряемых флуктуаций, возникает неоднозначность уровня модуляции (за счет собственных шумов модулятора). При мощности калибровочного сигнала, много большей мощности измеряемых флуктуаций (как правило, используется такой режим калибровки, так как большой уровень модуляции можно оценить метрологическими средствами поверки), возникает потребность в калиброванном ослаблении выходных напряжений СВЧ детекторов, поступающих на коррелятор. Требуемая величина калиброванного ослабления может достигать величины 60-80 дБ, причем погрешности введения этих ослаблений перемножаются и результирующая погрешность может оказаться недопустимо большой. При этом показание индикатора коррелятора, используемого для реализации данного способа, должно быть пропорциональным дисперсиям напряжений входных сигналов. Это не позволяет использовать корреляторы, не реагирующие на величину дисперсии входных сигналов, например полярные [3]
При разработке предлагаемого способа была поставлена задача повышения точности измерений. Для решения поставленной задачи в корреляционном способе измерения низкочастотных флуктуаций СВЧ приборов, в котором осуществляют детектирование исследуемого СВЧ колебания двумя независимыми СВЧ детекторами, из переменных составляющих выходных напряжений которых U_1~(t) и U_2~(t), содержащие напряжения продетектированных флуктуаций исследуемого СВЧ колебания U_фл~(t) и напряжения собственных шумов соответствующего детектора, путем корреляционной обработки выходных напряжений двух независимых СВЧ детекторов U_1~(t) и U_2~(t), проводимой при наличии и отсутствии дополнительной калиброванной модуляции исследуемого СВЧ колебания, выделяют напряжения продетектированных флуктуаций U_фл~(t) исследуемого СВЧ колебания и определяют дисперсию напряжения U_фл~(t), новым является то, что для осуществления корреляционной обработки переменных составляющих выходных напряжений двух независимых СВЧ детекторов U_1~(t) и U_2~(t) при снятой дополнительной калиброванной модуляции исследуемого СВЧ колебания измеряют величину нормированной взаимнокорреляционной функции r_1,2 между переменными составляющими выходных напряжений независимых СВЧ детекторов U_1~(t) и U_2~(t), которая пропорциональна напряжению продетектированных флуктуаций U_фл~(t), при наличии же дополнительной калиброванной модуляции исследуемого СВЧ колебания изменяют соотношение величин переменных составляющих выходных напряжений двух независимых СВЧ детекторов до получения равенства содержащихся в них напряжений, имеющих частоту модуляции, затем снимают дополнительную калиброванную модуляцию и измеряют дисперсии D₁, D₂ переменных составляющих выходных напряжений СВЧ детекторов U_1~(t) и U_2~(t), а дисперсию напряжения продетектированных флуктуаций в выходных напряжениях детекторов при этом определяют по формуле
,
где U_фл~(t) переменная составляющая напряжения продетектированных флуктуаций;
U_1~(t) и U_2~(t) переменные составляющие выходных напряжений СВЧ детекторов;
D₁, D₂ дисперсии выходных напряжений СВЧ детекторов;
среднеквадратические значения переменных составляющих напряжений U_1~(t) и U_2~(t);
r_1,2 нормированная взаимнокорреляционная функция между переменными составляющими выходных напряжений независимых СВЧ детекторов U_1~(t) и U_2~(t).

На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит коррелятор 1, к выходу которого подключен индикатор 2, коммутатор каналов 3, к выходу которого подключен индикатор 4, при этом первые и вторые входы коррелятора 1 и коммутатора каналов 3 подключены к первой и второй входным клеммам устройства.

Коррелятор 1 в данном устройстве не участвует в режиме калибровки, а используется только в режиме измерения для определения нормированной взаимнокорреляционной функции между входными сигналами.

Коммутатор каналов 3 выполняет следующие функции: регулируемое усиление и центрирование входных сигналов, поочередную подачу входных сигналов на вход второго индикатора, а также суммирование и вычитание входных сигналов.

В качестве второго индикатора могут быть использованы низкочастотные анализаторы спектра или селективные вольтметры.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. В соответствии с законом сложения дисперсий [4, c. 562; 5] справедливо соотношение

где дисперсия суммы (разности) напряжений U_1~(t) и U_2~(t);
дисперсии (D) напряжений U_1~(t) и U_2~(t) соответственно;
r_1,2 нормированная взаимнокорреляционная функция между напряжениями U_1~(t) и U_2~(t).

Здесь напряжения U_1~(t) и U_2~(t) представляют собой переменные составляющие выходных напряжений двух независимых СВЧ детекторов, осуществляющих детектирование СВЧ колебания.

Перепишем выражение (1) для случаев суммы и разности напряжений относительно r_1,2

Решая систему из уравнений (2) и (3) относительно r_1,2 получаем

Так как дисперсия суммы нескольких статистически независимых (некоррелированных) случайных величин равна сумме их дисперсий [4, c. 563] то дисперсию суммы напряжений U_1~(t) и U_2~(t) можно представить в виде

где дисперсии напряжений собственных шумов детекторов;
дисперсия суммы напряжений продетектированных флуктуаций, содержащихся в выходных напряжениях детекторов.

Дисперсию разности напряжений U_1~(t) и U_2~(t) в случае равенства содержащихся в них напряжений продетектированных флуктуаций можно представить в виде

Из уравнений (5) и (6) имеем

При этом с учетом (7) выражение (4) можно записать в виде

или

Формула (9) предусматривает определение дисперсии суммы напряжений продетектированных флуктуаций, содержащихся в выходных напряжениях обоих детекторов. При этом дисперсии напряжений продетектированных флуктуаций в выходных напряжениях каждого детектора равны между собой.

Для определения дисперсии напряжения продетектированных флуктуаций , содержащихся в выходных напряжениях каждого детектора в соответствии с законом сложения дисперсий (формула (1)) для случая r_1,2=1 (так как напряжения измеряемых флуктуаций полностью коррелированы) величины можно связать соотношением

Тогда с учетом (10) дисперсии напряжений продетектированных флуктуаций, содержащихся в выходных напряжениях каждого детектора, можно определить по формуле

Корень квадратный из дисперсии напряжения равен среднеквадратическому значению переменной составляющей напряжения, поэтому в случае отсчета измеряемых величин в среднеквадратических значениях напряжений формулы (9) и (11) удобно привести к виду

где U_скфлΣ, U_скфл, U_ск1, U_ск2 среднеквадратические значения переменных составляющих напряжений U_флΣ~(t), U_фл~(t),U_1~(t),U_2~(t).

Таким образом удается определить дисперсии (либо среднеквадратические значения) напряжений продетектированных флуктуаций.

Устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом.

На входные клеммы устройства подаются сигналы с выходов двух СВЧ детекторов, осуществляющих детектирование исследуемого СВЧ колебания.

При этом в случае измерения флуктуаций амплитуды СВЧ колебания используются амплитудные детекторы, при измерении флуктуаций частоты - частотные детекторы, а при измерении флуктуаций фазы, вносимых СВЧ усилителем, фазовые детекторы. Так как собственные шумы СВЧ детекторов статистически независимы (некоррелированы), то в выходных сигналах детекторов коррелированными являются только напряжения, пропорциональные измеряемым низкочастотным флуктуациям исследуемого СВЧ колебания.

При описании работы данного устройства предполагается, что в состав СВЧ детекторов входят малошумящие низкочастотные усилители, усиление которых достаточно для устранения влияния собственных шумов описываемого устройства на результаты измерений.

Для калибровки данного устройства исследуемое СВЧ колебание подвергается дополнительной калиброванной модуляции. При этом вначале необходимо сбалансировать коммутатор каналов 3. Для этого, поочередно подавая на вход индикатора 4 калибровочный сигнал с первого, а затем со второго входов коммутатора каналов 3 и изменяя усиление этих сигналов, устанавливается их равенство. Балансировка коммутатора каналов 3 может быть также осуществлена в режиме вычитания входных каналов по минимуму напряжения на его выходе.

После этого сбалансированный коммутатор каналов 3 может быть переведен в режим суммирования входных сигналов. При этом по показанию индикатора 4 фиксируют калибровочный отсчет, соответствующий известному уровню модуляции. Калибровочный отсчет можно также произвести по выходному сигналу одного из СВЧ детекторов.

Далее дополнительная модуляция исследуемого СВЧ колебания снимается. При этом в выходном сигнале коммутатора каналов 3 присутствуют переменные составляющие напряжений обоих каналов U_1~(t) и U_2~(t), каждое из которых включает в себя собственные шумы соответствующего детектора (которые между собой некоррелированы) и коррелированные составляющие напряжений U_фл~(t), которые являются результатом детектирования измеряемых низкочастотных флуктуаций СВЧ колебания. В сбалансированном коммутаторе каналов 3 напряжения U_фл~(t) в каналах равны.

Для определения дисперсии (среднего значения квадрата переменной составляющей сигнала) напряжений продетектированных флуктуаций U_фл~(t), содержащихся в переменных составляющих выходных напряжений СВЧ детекторов, необходимо измерить дисперсии напряжений U_1~(t) и U_2~(t), а также нормированную взаимнокорреляционную функцию r_1,2 между ними.

Дисперсии напряжений U_1~(t) и U_2~(t) измеряются индикатором 4 при поочередной коммутации каналов. Функция r_1,2 измеряется коррелятором 1 (отсчет ее величины производится по индикатору 2).

Вычисление дисперсии напряжения U_фл~(t) при этом производится по формуле (11).

В случаях, когда уровень измеряемых низкочастотных флуктуаций исследуемого СВЧ колебания соизмерим или превышает уровень собственных шумов детекторов, коррелятор 1 можно не использовать. При этом работа данного устройства может осуществляться в соответствии с формулой (7).

Частотная селекция входных сигналов может осуществляться либо раздельно в корреляторе 1 и индикаторе 4, либо на входе устройства. В данном случае место и способ осуществления частотной селекции принципиального значения не имеют.

Устройство, реализующее предложенный способ измерения, позволяет осуществить проверку работоспособности коррелятора 1 и коммутатора каналов 3 без использования дополнительного оборудования путем сравнения показаний индикатора 2 (при r_1,2 порядка 0,1-1 с величиной, рассчитанной по формуле (4)).

Реализация предложенного способа с применением данного устройства позволяет также определять нормированную взаимнокорреляционную функцию r_а,ч(фл) между флуктуациями амплитуды и частоты сигнала генератора в присутствии шумов детекторов. Для этого на один вход устройства подают сигнал с выхода амплитудного детектора, а на другой вход с выхода частотного детектора (частотный детектор при этом должен эффективно подавлять собственные флуктуации амплитуды исследуемого колебания). Предварительно описанным выше способом должны быть определены дисперсии напряжений продетектированных флуктуаций, (в соответствии с выражением (11)) и дисперсии выходных напряжений детектора (включающих как напряжение продетектированных флуктуаций, так и собственные шумы соответствующего детектора). Далее необходимо измерить нормированную взаимнокорреляционную функцию r_а,ч между выходными напряжениями амплитудного и частотного детекторов.

Определение функции r_а,ч(фл) при этом осуществляется в соответствии с нижеследующими преобразователями.

По аналогии с выражением (4) функцию r_a,r можно выразить в следующем виде:

где U_a~(t),U_ч~(t) - переменные составляющие выходных напряжений амплитудного и частотного детекторов соответственно, включающие напряжение продетектированных флуктуаций и шумы соответствующего детектора.

Дисперсии суммы (разности) напряжений U_a~(t) и U_ч~(t) можно выразить в виде суммы дисперсий составляющих их статистически независимых напряжений

где U_ша~(t), U_шч~(t) переменные составляющие напряжений собственных шумов амплитудного и частотного детекторов соответственно;
U_фл.а~(t), U_фл.ч~(t) переменные составляющие напряжений, продетектированных флуктуаций (амплитудных и частотных соответственно).

В соответствии с законом сложения дисперсий дисперсии суммы и разности напряжений можно выразить в виде

Подставляя в выражение (14) соотношения (15) и (16) с учетом (17) и (18) получаем

или

Таким образом, при измерении нормированной взаимнокорреляционной функции r_a,ч(фл) между флуктуациями амплитуды и частоты сигнала генератора удается учесть влияние собственных шумов детекторов на результаты измерений.

Аналогичным образом можно также измерить нормированную взаимнокорреляционную функцию между флуктуациями амплитуды и фазы, вносимых СВЧ усилителем.

Описанное выше устройство, реализующее предложенный способ измерения, проверено экспериментально при измерении низкочастотных флуктуаций СВЧ приборов см-диапазона в диапазоне модулирующих частот 3-500 кГц.

Источники информации
1. Малахов А.Н. Флуктуации в автоколебательных системах. М. Наука, 1968, с. 582.

2. Корнилов С. А. и др. Исследование корреляционного метода измерения низкочастотных флюктуаций в СВЧ приборах. Вопросы радиоэлектроники. Серия 1. Электроника. N 1, 1965, с. 103-118.

3. Валитов Р.А. и Сретенский В.Н. Радиотехнические измерения. М. Советское радио, 1970, с. 177.

4. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Наука, Главная редакция физ.-мат. литературы, 1984.

5. ГОСТ 16465-70. Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения. Гос. ком. стандартов Сов. мин. СССР, М. 1970.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к способам измерения низкочастотных флуктуаций СВЧ приборов. Согласно изобретению осуществляют детектирование исследуемого СВЧ колебания двумя независимыми СВЧ детекторами, из переменных составляющих выходных напряжений которых U_1~(t) и U_2~(t), содержащих напряжения продетектированных флуктуаций исследуемого СВЧ колебания U_фл~(t) и напряжения собственных шумов детекторов, путем корреляционной обработки выделяют напряжения продетектированных флуктуаций U_фл~(t). Для этого измеряют величину нормированной взаимнокорреляционной функции r_1,2 между напряжениями U_1~(t) и U_2~(t). Далее подвергают исследуемое СВЧ колебание дополнительной калиброванной модуляции и изменяют соотношение величин U_1~(t) и U_2~(t) до получения равенства содержащихся в них напряжений, имеющих частоту модуляции. Затем снимают дополнительную калиброванную модуляцию и измеряют дисперсии D₁ и D₂ напряжений U_1~(t) и U_2~(t), а дисперсию напряжения продетектированных флуктуаций в выходных напряжениях детекторов при этом определяют по формуле

где U_фл~(t) - переменная составляющая напряжения продетектированных флуктуаций; U_1~(t) и U_2~(t) - переменные составляющие выходных напряжений СВЧ детекторов; D₁, D₂ - дисперсии выходных напряжений СВЧ детекторов; - среднеквадратические значения переменных составляющих напряжений U_1~(t) и U_2~(t); r_1,2 - нормированная взаимнокорреляционная функция между переменными составляющими выходных напряжений независимых СВЧ детекторов U_1~(t) и U_2~(t). 1 ил.

Корреляционный способ измерения низкочастотных флуктуаций СВЧ-приборов, в соответствии с которым осуществляют детектирование исследуемого СВЧ-колебания двумя независимыми СВЧ-детекторами, из переменных составляющих выходных напряжений которых U_1~(t) и U_2~(t), содержащих напряжения продетектированных флуктуаций исследуемого СВЧ-колебания U_фл~(t) и напряжения собственных шумов соответствующего детектора, путем корреляционной обработки выходных напряжений двух независимых СВЧ-детекторов U_1~(t) и U_2~(t), проводимой при наличии и отсутствии дополнительной калиброванной модуляции исследуемого СВЧ-колебания, выделяют напряжения продетектированных флуктуаций U_фл~(t) исследуемого СВЧ-колебания и определяют дисперсию напряжения U_фл~(t), отличающийся тем, что для осуществления корреляционной обработки переменных составляющих выходных напряжений двух независимых СВЧ-детекторов U_1~(t) и U_2~(t) при снятой дополнительной калиброванной модуляции исследуемого СВЧ-колебания измеряют величину нормированной взаимно корреляционной функции γ_1,2 между переменными составляющими выходных напряжений независимых СВЧ-детекторов U_1~(t) и U_2~(t), которая пропорциональна напряжению продетектированных флуктуаций U_фл~(t), при наличии же дополнительной калиброванной модуляции исследуемого СВЧ-колебания изменяют соотношение величин переменных составляющих выходных напряжений двух независимых СВЧ-детекторов до получения равенства содержащихся в них напряжений, имеющих частоту модуляции, затем снимают дополнительную калиброванную модуляцию и измеряют дисперсии D₁, D₂ переменных составляющих выходных напряжений СВЧ-детекторов U_1~(t) и U_2~(t), а дисперсию напряжения продетектированных флуктуаций в выходных напряжениях детекторов при этом определяют по формуле

где U_фл~(t) - переменная составляющая напряжения продетектированных флуктуаций;
U_1~(t), U_2~(t) - переменные составляющие выходных напряжений СВЧ-детекторов;
D₁, D₂ дисперсии выходных напряжений СВЧ-детекторов;
среднеквадратические значения переменных составляющих напряжений;
U_1~(t) и U_2~(t), γ_1,2- нормированная взаимно корреляционная функция между переменными составляющими выходных напряжений независимых СВЧ-детекторов U_1~(t) и U_2~(t).у