Способ измерения коэффициента шума СВЧ-четырехполюсника Советский патент 1988 года по МПК G01R29/26 

Од

ел

со

СП

Изобр€;тение относится к радиоэлектронике СВЧ, преимущественно при исследовании и проектировании активных устройств СВЧ, а также для контроля их шумовых параметров.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей,, заключающееся в определении минимального коэффициента шума F путем ИСключения влияния согласования генера тора шума как по максимуму передаваемой мощности, так и по минимумусобственных шумов.

На фиг. 1 - 3 изображены эквива- лентные схемы шумящего четырехполюсника, поставленного в режим согласо- на характеристическое сопротивление по выходу, но отличающиеся различными режимами по входу.

Существо способа измерения рассмотрим в процессе анализа эквивалентной схемы шумящего,четырехполюсника.

На фиг. 1 приведена эквивалентная схема шумящего четырехполюсника, описываемая известной системой л} параметров. В этой системе собственнЕ11е шумы четырехполюсника представлены двумя идеальными источниками шума 1 и i|, вынесенными на вход четырехпо- люсника, которые сов1 {естнь м действием на входе обеспечивают соответствие мощности реальных шумов на выходе четырехполюсника. Поэтому расчет мощности шума четырехполюсника ведется только во входной части схемы, так как. считается, что сам четырехполюсник не и характеризуется только сигнальнь1м параметром К „ - коэффициентом передачи по мощности (в дан- ном случае характеристическим коэффициентом передачи).

Расчетная формула мощности шума входной части схемы, полученная методом наложения, имеет след тощий вид

1

ftx

ЦП Ш

о г

выходное сопротивление генератора шума;

характеристическое (волновое) сопротивление четырехполюсника;

оптимальное шумовое сопротивление четырехполюсника, яет получить ряд частных при разных значениях Z р и

комбинациях Т, и R,,, Так, например, если Z J. R , т.е. шумящий четырехполюсник нагружен по входу согласовано на характеристическое (волновое) сопротивление .R и если R uj R ,, т.е. шум четырехполюсника согласован с R-,, то из выражения ( 1) получим

pW ,

о

|Z|- - Eg - Кц,.

Следовательно, мощность выделяемая

эквивалентными источниками 1ц, и

-ш

на входном (характеристическом) сопротивлении Z gj( R р нешумящей части четырехполюсника определяется только

и от сопро- совсем не зависит . Это случай, когда измеряемьш коэффид:- ент шума, определяемый по известной методике, совпадает с минимальным коэффициентом шума.

произведением 11 Р тивления Z

В случае несовпадения F у„ +

СОГЛ

нужно считать, что R не равно Н. При этом возможны два варианта исследования четырехполюсника, оба зависящие от Z,

Ч

Р

LU СОГЛ

(2)

Расчет эквивалентноймощности шума при согласовании по сигналу (R Z) и расчет мощности шума при согласовании по шуму (ZP R) в обоих слуРШ

Rn

чаях Кц, 7 RO или

1.

P 1 йх

Из сравнения выражений (2) и (3) видно,, что . PMWH . ЧТО, в свою очередь, подтверждает правильность выбора математической модели при описании шумящего четырехполюсника. Теперь несколько слов о сопоставлении расчетной мощности Р„ с помощью мощности

D у

внешнего калиброванного генератора шума,

На фиг, 1 мощность генератора шума представлена произведением сигнальных переменных U.T Pg и волновым .сопротивлением Z, В частном случае,

нератора шума необходимо сохранить условие максимального прохождения Z|- Rj,, т,е, получаем два несовместимых условия.

Чтобы избежать этой ситуации можно поступить следующим образом. Заменим режим согласования по шумам г ш режимом сильног о рассоглакогда рассматривается согласование по Q сования, например, Z. . R , при сигналу Z |. RJ,, мощность Рв«- равна этом автоматически должно выполняться калиброванной мощности ГШ (Ррш условие Z выбрать Zf и сопротивление осуществляется кор- достаточно малым. Таким образом, оба ректно в соответствии с формулой из- требования оказываются совместными мерения . 15 и появляется возможность без методической погрешности, измерить некоторое значение шума F;, , Естественно при условии, если генератор шума был

р(гор-РГо..)2К,( ),

(4)

нератора шума необходимо сохранить условие максимального прохождения Z|- Rj,, т,е, получаем два несовместимых условия.

Чтобы избежать этой ситуации можно поступить следующим образом. Заменим режим согласования по шумам г ш режимом сильног о рассогла

Изобретение относится к сверх- бысокочастотной (СБЧ) радиоэлектронике. Способ измерения коэффициента шума СВЧ-четырехполюсника заключается в следующем. Сравнивают мощности собственных щумов в режиме рассогласования на входе СВЧ-четырехполюс- ника с мощностью включенного на его входе внешнего калиброванного генератора шума, фиксируют уровень шумов на выходе-СВЧ-четырехполюсника при нулевой выходной мощности,генератора шума, добиваются удвоения мощности щумов на выходе СВЧ-четырехпо- люсника, регулируя выходную мощность генератора щума, устанавливают модуль коэффициента отражения F g,, в диапазоне 0,7-0,9, измеряют коэффи циенть шума F, и F при рассогласовании ниже и выи1е волнового сопротивления RO СВЧ-четырехполюсника соответственно, определяют минимальное значение коэффициента щума: F - 1 + 4(F, - 1)F, -1) FMWH - 1 + ... , , . . Спо(F, - 1 + VF-I - if cod имеет расширенные функциональные возможности. 3 ил. р (Л с

предварительно откалиброван на извегде РВХ-ХОЛ мощность, поступающая на 20стное волновое сопротивление Е,

вход от выключенного ге- Измеренное значение F. не относит-

нератора шума (холодныеся к но как любое другое зна- . шумы равны КТд); мощность шума холодных

чение FJ , определяется мощностью гауВх, гор

калиброванная в КТ.

Откуда получаем „W

согл

ма, не зависящей от Zр, и составляю- щумов плюс мощность вклю-25 щей в сильной степени, преобразован- ченного генератора щума, ной малым значением Z р, « R,

На фиг, 2 представлен исследуемый четырехполюсник в режиме Z о 7 R, В эквивалентном плане это режим 30 заданного напряжения на входе, в котором легко подсчитать как мощность внутренних шумов, так и-входное воздействие от генератора щума.

Как видно из фиг, 1 (б), мощность

, , согл ,

ктг-5

(5)

значение РСОГЛ РМНЧ значит и

СОГЛ кц .

Другая ситуация возникает, если мы хотим измерить , Как было опреос собственных шумов PSXCS) определяющая измеряемое значение F , равна

ш г / I Pexts) IW/RO- .

Тот же результат будет получен и из 40 выражения СП если подставить указанное требование по входу

делено выше, этот коэффициент шума достигается при ,ц т,е, при Z R , Здесь следует заметить, что ни значение R, ни соответственно - Z мы не знаем и поэтому подбор может проходить чисто эмпирически. Но основным противоречием является то,

что при измерении, т,е, при сопоставwЛенин Р;лмн с помощью калиброванной

мощности внешнего генератора, прохождение мощности не должно претерпевать 45 отражений, чтобы не нарушалась его калибровка. Однако используемый генератор шума хоть и является шумовым, но относительно четырехполюсника, должен рассматриваться как генератор 50 Такое совпадение результатов еще раз сигнала и прохождение от него осуще- подтверждает физическую модель с не- ствляется по сигнальным параметрам, равнозначностью составляющих шума т.е. относительно волнового сопротив- по току и напряжению и отображающую- ления Rg, Таким образом, приходит к парадоксу, с ма собственных шумов Р обеспечить рассогласование по сигналу ,Rp, ас целью сравнения этой мощности с помощью внешнего геZr, : RO 7 Кш

ся в эквивалентном представлении отцелью достижения миниму- 55 ношением источников Е . ГУ: TiivMOR Р необходимо1ш

Расчет ожидаемого коэффициента шума Fy обеспечивается общими формулами (4) и (5) с той лишь разницей.

ся к но как любое другое зна- .

чение FJ , определяется мощностью гаума, не зависящей от Zр, и составляю- щей в сильной степени, преобразован- ной малым значением Z р, « R,

(5)

ос собственных шумов PSXCS) определяющая измеряемое значение F , равна

ш г / I Pexts) IW/RO- .

Тот же результат будет получен и из 40 выражения СП если подставить указанное требование по входу

ение результат физическую мо тью составляющи пряжению и ото

Zr, : RO 7 Кш

что мощность шума- горячего генератора шума выражается здесь через идеальный источник Е /R, и является калиброванной величиной, а в качестве собственной мощности шума вьг- . iu -, . RUJ

ступает значение Р

вх (Е)

R;

таким образом, получим

1 RUI

Ш ц RO

кт

(6)

Ясно, что это значение не равно минимальному Рдд(ц , но в нем легко подметить тенденцию, изменяющую значение коэффициента шума F- от мощности согласованной части шумов и несогла- сованной части щумов четырехполюсника. Первая часть сохраняет свое прежнее значение (lujiuj)s ДРУгая выражается через предельно простую связь RUJ

RC

другому (противоположному) рассогласованию по входу, т.е, используем

щ, при этом мощ- горячего генератора шума вы

Поэтому, если мы обратимся к

условие Z . 7 RgT R

ТТII

ность -

ражается через идеальный источник , то в соответствии с фиг о 3, отображающей выполнение этого условия, получим значение собственной мощности щума

рШ т . R

6Х (В) IU R

° i R,

для измеряемого коэффи

(1

1 i

J Ru;

КТ„

(7)

Rnj RO

характеризующий несогласованСопоставляя выражения (6) и (7) можно заметить, что мощность собственных шумов, не зависящая от со.гласования по входу, входит одинаково в оба измерения Е, и F/j, а коэффициент с(

ность во втором измерении, имеет обратную зависимость. Поэтому обработ- кой обоих отсчетов легко выделить относительную мощность, не зависящую от Z,..

I

РГ -f(F - 1)(F - Г) ,

а через, отношение можно определить параметр о( , указывающий на несогласованность шумов.

Кш

R7

{

(F/ - 1) (F-I - О

Окончательный результат получаем- с помощью формулы (3), подставив туда полученные расчетные значения Р и с.

10

MWH

4(F, - l)(Fi - 1)

CI F, - 1 + VF - 1 Г

Реализация условий сильного рассогласования достигается следующим образом,

Как уже отмечалось, рассогласование появляется на этапе измерения F и F, когда к исследуемому четырехполюснику подключается генератор шума с волновым сопротивлением Z или Rjj. Естественно, что в этом случае передача от генератора шума в четырехполюсник связана с про- хождением мощности через скачок волновых сопротивлений

п RO

Np

LJii RO (Z Р + R

- г

BK

Г

e-K

коэффициент отражения по мощности при наличии скачка волновых сопротивлений

п

R,

и 1

или

Г1

R

Наличие такого скачка приводит к отражению основной части .мощности шума обратно в генератор шума, но другая (малая часть) моп ности проходит в четырехполюсник. Она является прошедшей волной через скачок, значение которой не зависит от малого разброса W i RO Если прошедшая волна будет предварительно откалибрована в отно-

сит гльных единицах

то ни наличие скачка, ни отражение большой, мощности генератора шума не скажутся на 50 процедуре сравнения собственной мощ- - ности шумов четырехполюсника с калиброванной мощностью прошедшей волны генератора шума и обеспечит, получение достоверного отсчета F.. и F

1

Реализация заданных волновых сопротивлений генератора шума осуществляется обычной трансформацией волновых, сопротивлений, а калибровка генератора шума с волновыми сопротив-

7

лениями Zp или должна проводиться на стандартное волновое сопротивление R, т.е. в тех же условиях, что и при измерениях F и F .

В заключение заметим, что входные условия, используемые при измерениях F, и F и равные Z . «Ro j диапазоне СВЧ желательно перевести в более привычный параметр СВЧ - в коэффициент отражения по входу (Г) поэтому в соответствии с известной формулой получим значение модуля 1Гвх 1 0,7-0,9.

Формула изобретения

Способ измерения коэффициента шума СВЧ-четырехполюсника, заключаюисий- ся в том, что сравнивают мощности собственных шумов СВЧ-четырехполюсника с мощностью включенного на его входе внешнего калиброванного генератора шума, фиксируют уровень шумов на выходе измеряемого СВЧ-четырехполюсника при Нулевой выходной мощ-

/х r7f

Z.-Pl

8

ности генератора шума, добиваются удвоения мощности шумов на выходе измеряемого СВЧ-четырехполюсника, регулируя выходную мощность , генератора шума, коэффициент шума определяют по известной формуле,.о т- личающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, заключающихся в определении минимального коэффициента шума тырехполюсника, операцию сравнения проводят в режиме-рассогласования на входе четырехполюсника, ус5 танавливают модуль коэффициента отражения в диапазоне значений (FBX) - 0,7-0,9 измеряют коэффициент шума, F при рассогласовании ниже волнового сопротивления Rp СВЧ-четырехполюс0 Ника и F при,рассогласовании вьше Р, определяют минимальное значение коэффициента шума по формуле

F 1 + (Р - 0(i - 1) 25мин/.- .- . , Г

(IF - Г + VF - 1)

P..,

7ff-2cr

фиг.

Zcr р

;V-7

.2

/