УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШУМОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА СВЧ Российский патент 2013 года по МПК G01R29/26 G01R31/26 

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно к измерению уровня собственного шума, создаваемого n-полюсником и может быть использовано при конструировании радиоприемных устройств СВЧ.

В радиоэлектронной технике под термином n-полюсник понимается элемент радиотехнической схемы, имеющий n функциональных клемм.

Существующие разновидности n-полюсников легко сводятся к двум - двух- и четырехполюсники. По конструкции п-полюсники подразделяются на так называемые элементарные n-полюсники (диоды, транзисторы, фильтры, трансформаторы, резонаторы и другие) и n-полюсники, представляющие собой их комбинации (функциональные схемы усилительных каскадов или генераторов).

В общем случае шум, как физическое явление это - хаотическое движение электрических зарядов и характеризуется известными электрическими параметрами: комплексной мощностью шума P_ш, Вт, напряжением шума U_ш, В, шумовым током I_ш, А.

Известен способ и устройство определения коэффициента шума транзистора и транзисторных структур.

Устройство при этом содержит - исследуемый транзистор (транзисторную структуру), резистор в цепи стока транзистора, аккумуляторную батарею, являющуюся источником питания, термокриостат, малошумящий предварительный усилитель, анализатор спектра, блок внешних устройств (цифропечатающее устройство, дисплей, графопостроитель), блок управления, управляющую ЭВМ.

Элементы устройства размещены внутри термокриостата, обеспечивающего регулируемое изменение температуры в диапазоне 180-430ºK.

Задают линейный режим работы транзистора. Шумовое напряжение, выделяемое на резисторе, поступает на вход малошумящего усилителя, а затем на вход анализатора спектра, обеспечивающего измерение спектральной плотности шума в диапазоне частот 20-100000 Гц. Результаты измерения поступают на блок внешних устройств. Работа осуществляется в автоматическом режиме при помощи блока управления, а программа работы задается ЭВМ. Согласно программе происходит установление температуры в термокриостате, после чего осуществляется измерение спектральной плотности шума на выбранных фиксированных частотах, затем устанавливается новое значение температуры и процесс измерения повторяется [1].

Недостаток этого устройства заключается в принципиальном ограничении, связанном с возможностью использования его только на низких частотах (звуковых и видеочастотах).

Известен измеритель шумовых характеристик сверхвысокочастотных и высокочастотных передатчиков, состоящий из делителя мощности, соединенных последовательно балансного смесителя, узкополосного фильтра нижних частот, усилителя постоянного тока, первого аналого-цифрового преобразователя и электронно-вычислительной машины, и также широкополосного фильтра нижних частот и второго аналого-цифрового преобразователя.

В который с целью расширения амплитудно-динамического диапазона измерений фазовых шумов при одновременном обеспечении возможности измерения амплитудных шумов передатчиков дополнительно введены направленный ответвитель, линия задержки, регулируемый аттенюатор, два регулируемых фазовращателя, низкочастотный коммутатор на три входа и один выход, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, три полосовых фильтра, сверхвысокочастотный сумматор, делитель мощности на три.

При этом входом измерителя является вход направленного ответвителя, первый выход которого соединен с входом делителя мощности, а второй через первый регулируемый фазовращатель с гетеродинным входом балансного смесителя, первый выход делителя мощности через линию задержки и второй регулируемый фазовращатель соединен с первым входом сверхвысокочастотного сумматора, а второй выход делителя мощности через регулируемый аттенюатор со вторым входом сверхвысокочастотного сумматора, выход которого соединен с сигнальным входом балансного смесителя, выход балансного смесителя через последовательно соединенные широкополосный фильтр нижних частот и регулируемый усилитель соединен с входом делителя мощности на три, каждый из выходов которого через соответствующий полосовой фильтр соединен с соответствующим входом низкочастотного коммутатора, выход которого через первый аналого-цифровой преобразователь соединен с электронно-вычислительной машиной, выходы которой соединены с управляющими входами низкочастотного коммутатора и регулируемого усилителя [2].

Недостаток данного устройства заключается в необходимости использования нескольких дополнительных устройств (направленного ответвителя, фазовращателя, балансного смесителя и др.), каждый из которых имеет ошибку измерения и что снижает точность измерения шумовых характеристик передатчиков в целом.

Известен способ и устройство определения шумовых характеристик n-полюсника путем подачи на него электрических сигналов с последующим определением по результатам измерений их шумовых характеристик.

В котором, с целью разработки универсального способа и устройства, позволяющих однозначно определять собственный шум n-полюсника, расширения диапазонности использования, получения возможности проводить измерения в процессе их технологического изготовления, упрощения измерительного устройства, обеспечения возможности автоматизации измерений с помощью ЭВМ и, как следствие - значительного снижения стоимости, как самой установки для проведения измерений, так и создаваемой с ее помощью радиотехнической аппаратуры, n-полюсник помещают внутрь поглощающей электромагнитное излучение среды и измеряют его электромагнитное излучение до и после подачи на n-полюсник, по меньшей мере, одного электрического сигнала.

Устройство при этом, содержит блок питания, генератор шума, контактное приспособление для подключения n-полюсника и измерительный приемник с индикатором.

Которое, с выше указанной целью, дополнительно содержит камеру из поглощающего электромагнитное излучение материала, внутри которой размещены контактное приспособление для подключения n-полюсника и обращенная в их сторону антенна - индикатор электромагнитных излучений, соединенная с измерительным приемником [3].

Использование камеры из поглощающего материала приводит к усложнению устройства.

Известно устройство для измерения шумовых параметров транзистора СВЧ (F_min, R_n, G_so, B_so,), содержащее схему с управляемыми параметрами, включенную между входом измеряемого транзистора и генератором шума [4].

Варьируя управляемыми параметрами добиваются минимальной величины коэффициента шума F_min, а затем с помощью измерителя полных проводимостей измеряют величину оптимальной проводимости по формуле Y_so=G_so+jB_so.

Недостаток этого устройства заключается в необходимости использования измерителя полных проводимостей, а также сложности в осуществлении автоматизации процесса измерения из-за необходимости переключения измерительных каналов.

Известно устройство для определения шумовых параметров транзистора СВЧ, содержащее измерительную интегральную схему с перестраиваемыми параметрами, включенную между генератором шума и входом измеряемого транзистора, выход которого подключен к измерителю коэффициента шума.

В котором, с целью упрощения процесса измерения и автоматизации, измерительная интегральная 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 измеряемого транзистора, а расстояние между точкой подключения катодов pin-диодов и входом измеряемого транзистора составляет λ/4, где λ - длина волны на центральной частоте диапазона измерения [5 - прототип].

Преимущество данного устройства по сравнению с предыдущим состоит в некотором расширении рабочей полосы частот, повышении точности измерения и упрощении конструкции.

Недостаток заключается:

во-первых, в необходимости использования неравных отрезков линии передачи, которые на граничных частотах становятся резонансными, что приводит к сужению рабочей полосы частот и уменьшению точности измерения шумовых параметров.

во-первых, в необходимости использования отрезков линии передачи, которые на граничных частотах становятся резонансными, что приводит к сужению рабочей полосы частот и уменьшению точности измерения шумовых параметров,

во-вторых, использование для переключения двух pin-диодов усложняет конструкцию устройства, поскольку управляющее напряжение на них подается через фильтры питания.

Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, повышение точности измерений, упрощение устройства для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ.

Указанный технический результат достигается устройством для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ, содержащее измерительную интегральную схему с перестраиваемыми параметрами, вход которой соединен с генератором шума, посредством центрального проводника в виде отрезка линии передачи, выход которого соединен с входом измеряемого четырехполюсника, измеритель коэффициента шума.

В измерительную интегральную схему устройства дополнительно введены второй центральный проводник в виде отрезка линии передачи на выходе, две емкости, резистор, индуктивность и две контактные площадки для подачи питания к измеряемому четырехполюснику, а элемент с перестраиваемыми параметрами выполнен в виде полевого транзистора с барьером Шотки, при этом один конец отрезка линии передачи на выходе соединен с выходом измеряемого четырехполюсника, другой - с измерителем коэффициента шума, один конец резистора соединен с входом измеряемого четырехполюсника и с одним концом первой емкости, другой ее конец соединен с другим концом отрезка линии передачи на входе измерительной интегральной схемы и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, исток которого заземлен, а на его затвор подают управляющее напряжение от источника постоянного управляющего напряжения, другой конец резистора соединен с первой упомянутой контактной площадкой, один конец индуктивности соединен с выходом измеряемого четырехполюсника и с одним концом второй емкости, другой ее конец соединен с одним концом отрезка линии передачи на выходе измерительной интегральной схемы, другой конец индуктивности соединен со второй упомянутой контактной площадкой,

при этом величина сопротивления резистора на порядок больше величины волнового сопротивления отрезка линии передачи на входе, величины индуктивности и емкости определяются из формул:

L=3×Z₀/(2×π×f₀),

C=Z₀×10^-3/(2×π×f₀), где

L - индуктивность, Гн,

С - емкость, Ф,

Z₀ - волновое сопротивление отрезков линии передачи на входе и выходе измерительной интегральной схемы, Ом,

π - число, равное 3,1415.

f₀ - величина центральной частоты рабочей полосы частот (Гц).

Четырехполюсником СВЧ может быть, например, транзистор СВЧ.

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков, а именно: -

Ведение в измерительную интегральную схему устройства дополнительно второго центрального проводника в виде отрезка линии передачи на выходе, двух емкостей, резистора, индуктивности и двух контактных площадок для подачи питания к измеряемому четырехполюснику;

А также выполнение элемента с перестраиваемыми параметрами в виде полевого транзистора с барьером Шотки;

А также иное соединение всех элементов устройства обеспечит: -

Во-первых, расширение рабочей полосы частот за счет исключения из измерительной интегральной схемы неравных отрезков линии передачи, проводимости которых на резонансных частотах неограниченно возрастают, что приводит к определенным трудностям при измерении коэффициентов шума - на выходе измеряемого четырехполюсника СВЧ и активной и реактивной составляющих проводимости - на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ,

Во-вторых, повышение точности измерений за счет:

а) наличия двух емкостей, резистора и индуктивности, с заявленными их величинами для развязки измерительной интегральной схемы по постоянному току и СВЧ, и их использование приводит к снижению потерь СВЧ в измерительной интегральной схеме и тем самым к более точному измерению коэффициентов шума на выходе измеряемого четырехполюсника СВЧ и активной и реактивной составляющих проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ,

б) выполнения элемента с перестраиваемыми параметрами в виде полевого транзистора с барьером Шотки и возможности получения существенно большего числа различных значений управляющего напряжения на его затворе и тем самым существенного увеличения числа различных состояний измерительной интегральной схемы и тем самым возможности выполнения большего числа измерений зависимостей от частоты коэффициента шума и активной и реактивной составляющих проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ.

Следует отметить, что это обеспечит измерение шумовых параметров четырехполюсника с высокой точностью, приближающейся к предельной.

В-третьих, упрощение устройства, за счет использования в качестве элемента с перестраиваемыми параметрами одного трехполюсного элемента (полевого транзистора с барьером Шотки) вместо двух двухполюсных элементов - pin-диодов, который при этом в отличие от pin-диодов, не требует для работы фильтров питания.

Итак, совокупность всех существенных признаков обеспечит технический результат, а именно расширение рабочей полосы частот, повышение точности измерений, упрощение устройства.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 дана топология заявленного устройства для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ, где:

- измерительная интегральная схема - 1, выполненная в виде отрезков линии передачи на входе - 2 и на выходе - 3,

- генератор шума - 4,

- измеряемый четырехполюсник - 5,

- измеритель коэффициента шума - 6,

- полевой транзистор с барьером Шотки (элемент с перестраиваемыми параметрами) - 7,

- две емкости - 8, 9 соответственно,

- резистор - 10,

- индуктивность - 11,

- две контактные площадки - 12, 13 соответственно,

- источник постоянного управляющего напряжения - 14.

На фиг.2 дана его эквивалентная схема.

На фиг.3 даны измеренные зависимости от частоты коэффициента шума F₁(f), F₂(f), F₃(f), F₄(f) в рабочей полосе частот от 1 ГГц до 18 ГГц, равной рабочей полосе частот генератора шума и рассчитанные зависимости от частоты активной составляющей проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ (транзистора) G₁(f), G₂(f), G₃(f), G₄(f) и реактивной составляющей проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ B₁(f), B₂(f), В₃(f), B₄(f).

На фиг.4 даны зависимости от частоты: минимальной величины коэффициента шума F_min(f), величины активной G₀(f) и реактивной B₀(f) оптимальной проводимости на входе измеряемого четырехполюсника, величины шумового сопротивления R_n(f).

Пример конкретного выполнения.

Устройство для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ, содержит:

- измерительную интегральную схему 1, выполненную на подложке из арсенида галлия, толщиной равной 100 мкм в виде отрезков линии передачи на ее входе 2 и выходе 3 шириной, равной 80 мкм,

- генератора шума 4, унифицированный тип HP 346A,

- измеряемый четырехполюсник 5, например, транзистор,

- измеритель коэффициента шума 6, унифицированный тип HP 8970В,

- полевой транзистор с барьером Шотки (элемент с перестраиваемыми параметрами) - 7,

- две емкости 8, 9 и индуктивность 11, рассчитанные согласно указанным формулам,

- резистор 10, величиной 500 Ом,

- две контактные площадки 12, 13, выполненные размером 80×80 мкм,

- источник постоянного управляющего напряжения 14, тип HP 4142

При этом один конец отрезка линии передачи на входе 2 соединен с генератором шума 4, другой - с входом измеряемого четырехполюсника (транзистора) 5, один конец отрезка линии передачи на выходе 3 соединен с выходом измеряемого четырехполюсника 5, другой - с измерителем коэффициента шума 6, отрезок линии передачи на входе 2 соединен с стоком полевого транзистора с барьером Шотки 7 (элемент с перестраиваемыми параметрами), один конец резистора 10 соединен с входом измеряемого четырехполюсника 5 и с одним концом первой емкости 8, другой ее конец - с другим концом отрезка линии передачи на входе 2 измерительной интегральной схемы 1 и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки 7, исток которого заземлен, а на его затвор подают управляющее напряжение от источника постоянного управляющего напряжения 14, другой конец резистора 10 соединен с первой контактной площадкой 12, один конец индуктивности 11 соединен с выходом измеряемого четырехполюсника 5 и с одним концом второй емкости 9, другой ее конец - с одним концом отрезка линии передачи на выходе 3 измерительной интегральной схемы 1, другой конец индуктивности 11 соединен со второй контактной площадкой 13.

Устройство для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ работает следующим образом.

Для описания шумовых свойств четырехполюсников СВЧ, в том числе транзисторов, на частоте f рабочей полосы частот широко используется система шумовых параметров, включающая в себя: F_min(f) - минимальную величину коэффициента шума F(f); величины активной G₀(f) и реактивной B₀(f) оптимальной проводимости на входе транзистора, при которой F(f) равно F_min(f), величину шумового сопротивления R_n(f) [4].

Измеряемый четырехполюсник СВЧ 5 соединяют с выходом отрезка линии передачи на входе 2 и входом отрезка линии передачи на выходе 3 с помощью двух проводников.

На контактную площадку 12 подают рабочее напряжение питания, равное -1 В, а на контактную площадку 13 - рабочее напряжение питания, равное 5 В.

На вход отрезка линии передачи на входе 2 измерительной интегральной схемы 1 от генератора шума 4 подают шумовой сигнал с известной спектральной плотностью мощности шума в рабочей полосе частот.

Поскольку в заявленном устройстве управляющее напряжение U - непрерывная величина, а не дискретная, как в прототипе, то управляющих напряжений U может быть получено большое число.

На затвор полевого транзистора с барьером Шотки 7 (элемент с перестраиваемыми параметрами) от источника постоянного управляющего напряжения 14 подают управляющее напряжение U=U₁=-0,25 В.

С помощью измерителя коэффициента шума 6 измеряют зависимость от частоты коэффициента шума F₁(f) в рабочей полосе частот.

Рассчитывают зависимости от частоты активной G₁(f) и реактивной B₁(f) составляющих проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ по формулам:

G₁(f)=Z₀ ^-1+G_T(f, U₁),

B1(f)=B_T(f, U₁),

где

Z₀ - величина волнового сопротивления отрезков линии передачи на входе измерительной схемы (Ом),

G_T(f, U₁) - активная составляющая проводимости полевого транзистора с барьером Шотки, зависящая от частоты f и управляющего напряжения U=U₁,

B_T(f, U₁) - реактивная составляющая проводимости полевого транзистора с барьером Шотки, зависящая от частоты f и управляющего напряжения U=U₁.

По измеренным и рассчитанным упомянутым выше характеристикам составляют первое уравнение

F₁(f)=F_min(f)+{[G₁(f)-G₀(f)]²+[B₁(f)-B₀(f)]²}R_n(f)/G₁(f).

На затвор полевого транзистора с барьером Шотки 7 от источника постоянного управляющего напряжения 14 подают управляющее напряжение U=U₂=-0,5 В.

Выполняют упомянутые выше измерения и расчеты и составляют второе уравнение

F₂(f)=F_min(f)+{[G₂(f)-G₀(f)]²+[B₂(f)-B₀(f)]²}R_n(f)/G₂(f).

На затвор полевого транзистора с барьером Шотки 7 от источника постоянного управляющего напряжения 14 подают управляющее напряжение U=U₃=-0,75 В.

Выполняют упомянутые выше измерения и расчеты и составляют третье уравнение

F₃(f)=F_min(f)+{[G₃(f)-G₀(f)]²+[В₃(f)-B₀(f)]²}R_n(f)/G₃(f).

На затвор полевого транзистора с барьером Шотки 7 от источника постоянного управляющего напряжения 14 типа подают управляющее напряжение U=U₄=-1,0 В.

Выполняют упомянутые выше измерения и расчеты и составляют четвертое уравнение

F₄(f)=F_min(f)+{[G₄(f)-G₀(f)]²+[B₄(f)-B₀(f)]²}R_n(f)/G₄(f).

Решают полученную систему из четырех уравнений и определяют четыре неизвестных величины:

минимальную величину коэффициента шума F_min(f);

величины активной G₀(f) и

реактивной B₀(f) оптимальной проводимости на входе транзистора;

величину шумового сопротивления R_n(f).

Упомянутые выше измерения и расчеты проводят для большого числа управляющего напряжения U и получают систему большого числа уравнений. Для ее решения используют наиболее эффективный метод наименьших квадратов, точность которого повышается с ростом числа уравнений.

Данные представлены на фиг.3 и 4.

Как видно из фиг.3 и 4 заявленное устройство:

- расширяет рабочую полосу частот от 1 до 18 ГГц (фиг.3)

- существенно увеличивает точность измерений, при этом, чем больше число измерений, тем выше точность измерений и при этом последняя приближается к предельной (фиг.4).

Таким образом, заявленное устройство для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом расширение рабочей полосы частот примерно в 2 раза, повышение точности измерений примерно в 1,5 раза, существенное упрощение конструкции.

Источники информации

1. Патент РФ №2012006 МПК G01R 31/26 приоритет 17.06.1991, опубл. 30.04.1994.

2. Патент РФ №2099729 МПК G01R 29/26 приоритет 05.05.1994, опубл. 20.12.1997.

3. Патент РФ №2039363 МПК G01R 29/26 G01R 31/26 приоритет 08.04.1993, опубл.09.07.1995.

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

5. Патент РФ №2085960 МПК G01R 31/26 приоритет 24.07.1992, опубл. 27.07.1997 - прототип.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: устройство содержит измерительную интегральную схему с перестраиваемыми параметрами, вход которой соединен с генератором шума посредством центрального проводника в виде отрезка линии передачи, выход которого соединен с входом измеряемого четырехполюсника, измеритель коэффициента шума. Измерительная интегральная схема содержит второй центральный проводник в виде отрезка линии передачи, две емкости, резистор, индуктивность, элемент с перестраиваемыми параметрами в виде полевого транзистора с барьером Шотки и две контактные площадки для подачи питания к измеряемому четырехполюснику. Величина сопротивления резистора на порядок больше величины волнового сопротивления отрезка линии передачи на входе, величины индуктивности и емкости определяются из математических формул. Технический результат: расширение рабочей полосы частот, повышение точности измерений, упрощение устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ, содержащее измерительную интегральную схему с перестраиваемыми параметрами, вход которой соединен с генератором шума посредством центрального проводника в виде отрезка линии передачи, выход которого соединен с входом измеряемого четырехполюсника, измеритель коэффициента шума, отличающееся тем, что в измерительную интегральную схему устройства дополнительно введены второй центральный проводник в виде отрезка линии передачи на выходе, две емкости, резистор, индуктивность и две контактные площадки для подачи питания к измеряемому четырехполюснику, а элемент с перестраиваемыми параметрами выполнен в виде полевого транзистора с барьером Шотки, при этом один конец отрезка линии передачи на выходе соединен с выходом измеряемого четырехполюсника, другой - с измерителем коэффициента шума, один конец резистора соединен с входом измеряемого четырехполюсника и с одним концом первой емкости, другой ее конец соединен с другим концом отрезка линии передачи на входе измерительной интегральной схемы и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки, исток которого заземлен, а на его затвор подают управляющее напряжение от источника постоянного управляющего напряжения, другой конец резистора соединен с первой упомянутой контактной площадкой, один конец индуктивности соединен с выходом измеряемого четырехполюсника и с одним концом второй емкости, другой ее конец соединен с одним концом отрезка линии передачи на выходе измерительной интегральной схемы, другой конец индуктивности соединен со второй упомянутой контактной площадкой, при этом величина сопротивления резистора на порядок больше величины волнового сопротивления отрезка линии передачи на входе, величины индуктивности и емкости определяются из формул:
L=3·Z₀/(2·π·f₀),
C=Z₀·10^-3/(2·π·f₀),
где L - индуктивность, Гн;
C - емкость, Ф;
Z₀ - волновое сопротивление отрезков линии передачи на входе и выходе измерительной интегральной схемы, Ом;
π - число, равное 3,1415;
f₀ - величина центральной частоты рабочей полосы частот, Гц.

2. Устройство для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ по п.1, отличающееся тем, что четырехполюсником СВЧ может быть, например, транзистор СВЧ.