Способ скалярной градуировки генераторов шума с контролем нестабильности Российский патент 2023 года по МПК G01R29/26 G01S7/40 

Изобретение относится к области радиолокации, радионавигации, дальней и сверхдальней связи, телевидения и радиовещания, научных исследований и может быть использовано для градуировки генераторов шума высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, измерения коэффициента шума (КШ) приемников, усилителей, смесителей и др. ВЧ и СВЧ устройств.

Уровень техники

Одним из основных параметров СВЧ усилительных и приемных устройств является их пороговая чувствительность. Во всех случаях чувствительность ограничивается, главным образом, уровнем случайных электромагнитных колебаний, «шумов», возникающих внутри устройства, и наиболее точно и просто может быть проконтролирована с помощью измерительных генераторов шума (ГШ) - мер спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения или избыточной относительной шумовой температуры (ИОШТ), которая определяется либо при условии того, что тракт, в котором проводится измерения, практически идеально согласован (в этом случае говорят о номинальной ИОШТ), либо что сопротивление тракта равно 50 Ом (далее такое ИОШТ будем называть «эффективным»).

Номинальные значения ИОШТ можно получить только при векторной калибровке (т.е. градуировке) ГШ с использованием относительного дорогостоящего оборудования - векторного анализатора цепей (ВАЦ) со специальной опцией измерения КШ, позволяющего измерять комплексный коэффициент отражения от исследуемого устройства и относительно сложной процедуры векторной калибровки, требующей специальных наборов мер волнового сопротивления.

Помимо этого зачастую используются способы скалярной градуировки ГШ, но эти способы считаются менее точными ввиду того, что используемые для этого приемники (измерители коэффициента шума, анализаторы спектра и т.п.), в отличие от ВАЦ, не позволяют оценить коэффициент отражения собственного СВЧ-входа, что является источником погрешности из-за рассогласования; а также ввиду относительно большого, по сравнению с ВАЦ, времени измерения, могут проявлять нестабильность (например, нестабильность коэффициента передачи своего измерительного тракта), что является причиной погрешности из-за нестабильности приемника. В том и другом случае градуировка исследуемого ГШ (ГШИ) проводится относительно некоторого эталонного ГШ (ГШЭ). Измерительные ГШ могут выдавать два уровня мощности - мощность «горячего источника» (или мощность во включенном состоянии ГШ) и мощность «холодного источника» (или мощность в выключенном состоянии ГШ).

Известно множество способов и оборудования, позволяющих проводить векторную и скалярную градуировки генераторов шума.

Известен способ скалярной градуировки ГШ «прямого измерения» В инструкции по эксплуатации на измеритель Х5-29 (Измерители коэффициента шума. Х5-29. Техническое описание и инструкция по эксплуатации [Текст]: Х5-29 ОКП 66 8425 0029, Х5-29/1 ОКП 66 8425 4029, Х5-29/2 ОКП 66 8425 5529 / [ПО «Радиоприбор», г. Великие Луки]. - [Б. м. : б. и.], 1985. - 110 с., [5] л. : ил. + Вкладыш к техн. описанию Х5-29 (22 л.)), в котором для согласования используют согласующий трансформатор, что неудобно для практики, т.к. согласование нужно проводить отдельно для каждой частоты, на которой проводится измерение. Оценка и контроль нестабильности приемника в этом способе не предусмотрены.

Известен способ градуировки низкотемпературных ГШ, описанном в диссертации Резчикова А.А. (Резчиков А.А. Разработка и исследование методов и образцовой аппаратуры для градуировки низкотемпературных генераторов шума : 05.11.08 - радиоизмер. приборы (включая радиоспектрометры) : дис. ... канд. техн. наук / Всесоюз. ордена тр. красного знамени науч.-исслед. ин-т физ.-техн. и радиотехн. измерений. - М., 1984. - 153 с.), в котором для уменьшения коэффициента отражения (КО) приемника (т.е. для улучшения согласования) используют ферритовые вентили, при этом нестабильность приемника (компаратора) исключают с помощью специального опорного ГШ и стрелочного нуль-индикатора.

Недостатком этого является то, что ферритовые вентили - это относительно узкополосные устройства и позволяют, как правило, проводить измерения лишь в части интересующего диапазона частот, что усложняет процесс градуировки, а также требует применения дополнительного оборудования для исключения нестабильности.

Также известен способ векторной градуировки ГШ (Leonid Belostotski. A Calibration Method for RF and Microwave Noise Sources // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2011, January. Vol. 59, No. 1. P. 178-187.), в котором погрешность рассогласования минимизируется нахождением шумовых параметров приемника; нестабильность измерительного приемника не учитывают. Недостаток способа в том, что его реализация невозможна без применения относительно дорогостоящего оборудования (ВАЦ с опцией измерения КШ) и относительно сложной процедуры нахождения шумовых параметров.

Наиболее близким аналогом является способ градуировки ГШ, позволяющий определить ИОШТ (Патент KR 101514032 B1, МПК G01R29/26, опубл. 22.04.2015), в котором алгоритм калибровки осуществляют с применением генератора шума и ВАЦ путем измерения мощности шума и коэффициента отражения эталонного ГШ во включенном и выключенном состоянии, измерения мощности шума и коэффициента отражения исследуемого ГШ во включенном состоянии и вычисления ИОШТ исследуемого ГШ согласно методу Y-фактора, при этом погрешность рассогласования исключают путем расчета коэффициентов рассогласования (без определения шумовых параметров), а нестабильность приемника не учитывают.

Недостатком этого решения является отсутствие оценки нестабильности собственного коэффициента передачи измерительного тракта приемника, что снижает достоверность результатов измерения, а также то, что для его реализации требуется применение относительно дорогостоящего оборудования (т.е. ВАЦ) и относительно сложного процесса векторной калибровки.

Раскрытие изобретения

Основная техническая задача изобретения направлена на создание способа скалярной градуировки ГШ с применением упрощенной процедурой калибровки, а именно, не требующей нахождение комплексных коэффициентов отражения, а также не требующего специального или дорогостоящего оборудования, но при этом способного обеспечить требуемую точность и достоверность результатов измерения, погрешность которых сравнима с погрешностью, достигаемой при использовании наиболее близкого аналога.

Технический результат заключается в сокращении времени градуировки за счет отсутствия векторной калибровки, а также в расширении арсенала технических средств, способного обеспечить требуемую точность и достоверность результатов измерения, погрешность которых сравнима с погрешностью, достигаемой при использовании наиболее близкого аналога.

Технический результат достигается за счет того, что в способе скалярной градуировки генератора шума с контролем нестабильности:

- на первом этапе осуществляют калибровку приемника с помощью подключения эталонного генератора шума (ГШЭ) к приемнику через аттенюатор, измеряют мощности шума с выхода ГШЭ, соответствующие состояниям «горячего» и «холодного» источников.

- на втором этапе к аттенюатору подключают исследуемый генератор шума и также измеряют мощности шума с его выхода, соответствующие состояниям «горячего» и «холодного» источников;

- на третьем этапе оценивают нестабильность приемника по результатам чего, в случае ее несоответствия заданным пределам, переходят к первому этапу;

- на четвертом этапе определяют избыточную относительную шумовую температуру исследуемого генератора шума с учетом рассчитанной на предыдущем этапе нестабильности.

В частном случае, нестабильность оценивают по формуле:

,

где - значения ИОШТ ГШЭ из его сертификата калибровки или поверки;

- измеренное значение ИОШТ ГШЭ.

В частном случае, оценку нестабильности проводят при помощи функциональных возможностей приемника, встроенных аппаратно или программно.

В частном случае, оценку нестабильности проводят при помощи термометра.

В заявляемом изобретении предложены: минимизация погрешности результатов измерений вследствие рассогласования приемного тракта путем подключения на вход приемника аттенюатора; а также оценка и исключение нестабильности приемника.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется рисунками, где представлены: на фиг. 1 - алгоритм измерения ИОШТ ГШИ для осуществления предлагаемого изобретения, на фиг. 2 - схема подключения устройств при реализации способа, на фиг. 3 - результаты измерения по способу-аналогу и заявляемому способу.

На фиг. 2 обозначено:

1 - приемник (либо скалярный, например измеритель коэффициента шума, либо векторный, например ВАЦ);

2 - ГШЭ;

3 - аттенюатор;

4 - СВЧ-вход приемника;

«с1-с1» - сечение тракта, в котором происходит соединение подключаемых генератора шума;

5 - исследуемое устройство, т.е. ГШИ.

На фиг. 3 обозначено:

ΔИОШТ _{аналог ном} - разность измеренной номинальной ИОШТ ГШИ по способу-аналогу с ИОШТ ГШИ из протокола поверки;

ΔИОШТ _{аналог эф} - разность измеренной эффективной ИОШТ ГШИ по способу-аналогу с ИОШТ ГШИ из протокола поверки;

ΔИОШТ _{заявляемый способ} - разность измеренной ИОШТ ГШИ по заявляемому способу с ИОШТ ГШИ из протокола поверки.

Осуществление изобретения

Изобретение представляет собой способ скалярной градуировки исследуемого генератора шума 5 с контролем нестабильности. Для проведения измерений используют приемник 1 (например, анализатор спектра или ВАЦ с опцией измерения КШ), эталонный генератор шума 2, аттенюатор 3.

На первом этапе для скалярной шумовой калибровки приемника 1 используют схему, приведенную на фиг. 2, при этом к СВЧ входу 4 приемника 1 подключают ГШЭ 2 через аттенюатор 3 в сечении с1-с1; для включенного и выключенного состояния ГШЭ 2 на приемнике 1 проводят измерения соответственно мощности «горячего источника» ГШЭ 2 и мощности «холодного источника» ГШЭ 2 , (фиг. 1).

После этого на втором этапе в том же сечении с1-с1 вместо ГШЭ 2 подключают ГШИ 5 и измеряют мощности «горячего источника» ГШИ 5 и мощности «холодного источника» ГШИ 5 .

На третьем этапе проводят оценку нестабильности приемника 1. Для этого, например, снова в сечении с1-с1 вместо ГШИ 5 подключается ГШЭ 2 и повторно измеряются мощность «горячего источника» ГШЭ 2 и мощность «холодного источника» ГШЭ 2. Далее рассчитывается его ИОШТ по формуле:

,

где - значения ИОШТ ГШЭ 5 из его сертификата калибровки или поверки.

Далее проводится оценка нестабильности ν, отн. ед., по формуле:

.

Также оценка нестабильности может проводиться или встроенными средствами приемника 1, или другим способом.

Далее полученное значение нестабильности сравнивается с ее допустимым пределом , заданным априорно, в зависимости от требуемой точности измерений.

Если , то следует переходить к следующему этапу, в противном случае, процедуру повторяют, начиная с первого этапа.

На четвертом этапе проводится расчет ИОШТ ГШИ 5 по формуле:

.

На фиг. 3 приведены отличия результатов измерения исследуемого генератора шума (поверенного во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) с абсолютной погрешностью 0,34 дБ) от значений , приведенных в его протоколе поверки.

Измерения были проведены двумя способами - согласно предлагаемому изобретению и согласно способу-аналогу (патент KR 101514032 B1). В качестве ГШЭ 2 использован эталон второго разряда, поверенный также во ВНИИФТРИ с абсолютной погрешностью 0,12 дБ.

Ввиду того, что в способе-аналоге предполагается нахождение номинальных значений, а в предлагаемом изобретении - эффективных, то дополнительно был проведен перерасчет номинальных значений ИОШТ, полученных способом-аналогом, в эффективные значения , дБ, по формуле:

,

где - шумовая температура «горячего источника» ГШИ 5, найденная согласно способу-аналогу, К;

- модуль коэффициента отражения выхода ГШИ 5, соответствующая «горячему источнику», отн. ед.;

- температура окружающей среды, при которой проводились измерения, К;

- стандартная температура, равная 290 К.

На фиг. 3 кривая, обозначенная ΔИОШТ _{аналог эф}, соответствует эффективной ИОШТ .

Из фиг. 3 видно, что все результаты измерений находятся в пределах погрешности, указанной в протоколе поверки, т.е. существенно меньше 0,34 дБ. Более того, видно, что отличие всех способов между собой в значительной части частотного диапазона не более уровня флюктуаций (т.е. не более 0,05 дБ).

Таким образом, предложенное решение позволяет сократить время калибровки, обеспечить требуемую точность измерений без использования дополнительного или относительно дорогостоящего оборудования, или без использования относительно сложной векторной калибровки, требующей нахождение комплексных величин. При этом достоверность результатов, с точки зрения нестабильности приемника 1, гарантируется контролем и учетом величины этой нестабильности.

Изобретение относится к области радиолокации, радионавигации, дальней и сверхдальней связи, телевидения и радиовещания, научных исследований и может быть использовано для градуировки генераторов шума высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, измерения коэффициента шума (КШ) приемников, усилителей, смесителей и др. ВЧ и СВЧ устройств. Техническим результатом изобретения является сокращение времени градуировки за счет отсутствия векторной калибровки, а также расширение арсенала технических средств. Способ скалярной градуировки генератора шума с контролем нестабильности заключатся в калибровке приемника с помощью подключения эталонного генератора шума (ГШЭ) к приемнику через аттенюатор, измерении мощностей шума с выхода ГШЭ, подключении к аттенюатору исследуемого генератора шума и измерении мощностей шума с его выхода, оценивании нестабильности приемника, возвращении, в случае несоответствия нестабильности приёмника заданным пределам, к калибровке приемника, определении избыточной относительной шумовой температуры (ИОШТ) исследуемого генератора шума с учетом рассчитанной нестабильности. Мощности шума с выходов ГШЭ и исследуемого генератора шума соответствуют состояниям «горячего» и «холодного» источников. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ скалярной градуировки генератора шума с контролем нестабильности, характеризующийся тем, что:

- на первом этапе осуществляют калибровку приемника с помощью подключения эталонного генератора шума (ГШЭ) к приемнику через аттенюатор, измеряют мощности шума с выхода ГШЭ, соответствующие состояниям «горячего» и «холодного» источников;

- на втором этапе к аттенюатору подключают исследуемый генератор шума и также измеряют мощности шума с его выхода, соответствующие состояниям «горячего» и «холодного» источников;

- на третьем этапе оценивают нестабильность приемника, по результатам чего, в случае ее несоответствия заданным пределам, переходят к первому этапу;

- на четвертом этапе определяют избыточную относительную шумовую температуру (ИОШТ) исследуемого генератора шума с учетом рассчитанной на предыдущем этапе нестабильности.

2. Способ скалярной градуировки генератора шума с контролем нестабильности по п. 1, отличающийся тем, что нестабильность оценивают по формуле:

где ENR_s1 - значения ИОШТ ГШЭ из его сертификата калибровки или поверки;

ENR_s2 - измеренное значение ИОШТ ГШЭ.

3. Способ скалярной градуировки генератора шума с контролем нестабильности по п. 1, отличающийся тем, что оценку нестабильности проводят при помощи функциональных возможностей приемника, встроенных аппаратно или программно.

4. Способ скалярной градуировки генератора шума с контролем нестабильности по п. 1, отличающийся тем, что оценку нестабильности проводят при помощи термометра.