СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ Советский патент 1994 года по МПК G01R29/26 

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано для измерения затухания или коэффициента усиления СВЧ-четырехполюсников в диапазоне частот более 78,33 Гц.

Целью изобретения является расширение области использования способа.

Предлагаемый способ определения затухания основан, как и способ-прототип, на измерении в заданной полосе пропускания уровня Р1 мощности шумового сигнала на выходе согласованного по входу опорного усилителя.

Цель достигается тем, что измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₂ мощности шумового сигнала на выходе нагрузки, согласованной при температуре окружающей среды, уровень Р₃ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника при подаче на его вход шумового сигнала с выхода согласованного по входу опорного усилителя и уровень Р₄ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника, согласованного по входу. При этом определяют отношение γ разности уровней Р₃-Р₄ мощности к разности уровней Р₁-Р₂ мощности, после чего определяют вносимое затухание α или коэффициент усиления К_уизмеряемого четырехполюсника из выражений
α = , отн.ед.; (1)
K_у= , отн. ед./ (2) где α₁ и α₂ - вносимое затухание тракта от выхода опорного усилителя до входа измеряемого четырехполюсника и до входа измерителя мощности шумового сигнала соответственно, отн.ед.;
β- вносимое затухание тракта от выхода измеряемого четырехполюсника до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед.

При этом интервал, в котором с вероятностью 0,95 находится допустимая суммарная относительная погрешность δ_α(δ_ку) измерения затухания α (коэффициента усиления К_у) четырехполюсника, определяют из выражения
δ_α() = ± , % где ,,δ_βи δ_γ- предельное значение погрешности определенияα ₁, α ₂, βи γсоответственно, %.

Так, если α =3 дБ=2 ед, α ₁= α ₂=10 дБ, ==1,5%, β=0 дБ,δ_β≅1%, γ=5 ед., δ_γ≅3,5%, то δ_α≅2,8%.

Если К_у= 30 дБ= 1000, α ₁= α₂ =10 дБ, ==1,5%, β=20 дБ=100 ед., δ_β≅5%, γ=10, δ_γ≅3,5%, то 4,3%=0,2 дБ.

Отсюда очевидно, что по точности измерения больших затуханий (более 3 дБ) и коэффициента усиления усилителей предлагаемый способ соответствует известным, а использование его для прецизионного измерения малых затуханий требует тщательного согласования в измерительном тракте и прецизионного измерения значений α₁, α₂и β.

Однако данный способ обладает по сравнению со способом-прототипом более широкой областью использования, так как позволяет измерять не только малые, но и большие затухания четырехполюсников, а также коэффициент усиления четырехполюсников-усилителей в реальных условиях их эксплуатации, при этом он не требует для своего осуществления ни опорных источников шумового сигнала, ни прецизионных измерительных аттенюаторов, ни прецизионных измерителей мощности шумового сигнала, поэтому может быть использован в диапазоне СВЧ-более 78, 33 Ггц.

Для осуществления способа достаточно иметь стабильный во времени опорный усилитель в заданном диапазоне частот с известными коэффициентом усиления и шумовой температурой и стабильный во времени даже не измеритель, а индикатор мощности шумового сигнала, так как при определении разностей уровней Р₃-Р₄ и Р₁-Р₂ исключается систематическая погрешность измерения уровня мощности, а при определении их отношения γ исключается погрешность масштабного коэффициента.

Так, например, при разработке и изготовлении новых СВЧ-усилителей в диапазоне, например, 200 ГГц можно, используя один из них в качестве опорного усилителя, измерить коэффициент усиления всех остальных усилителей, а в конечном итоге и его самого, а также затухание в этом диапазоне частот различных элементов СВЧ (вентилей, переходов, циркуляторов, аттенюаторов и др. ).

Таким образом, предлагаемый способ обладает широкой областью использования для прецизионного измерения затухания и коэффициента усиления СВЧ-четырехполюсников в диапазоне частот более 78, 33 ГГц, в котором отсутствуют генераторы стандартных сигналов, опорные источники шумового сигнала, прецизионные измерительные аттенюаторы, прецизионные измерители мощности гармонического и шумового сигналов. Он исключает необходимость разработки изготовления сложных, трудоемких и дорогих перечисленных приборов в указанном диапазоне частот.

Обоснование заявленного способа заключается в следующем. Измеренные в заданной полосе пропускания Δf уровень мощности шумового сигнала на выходе согласованного по входу опорного усилителя
P₁= K + T_o+ TK_уп·Δf, Вт, где К=1,38˙10^-23 Вт/град ˙Гц - постоянная Больцмана;
Т_о - температура окружающей среды, К;
Т_шо, К_уо - эквивалентная шумовая температура входа и коэффициент усиления опорного усилителя, К и отн.ед. соответственно;
Т_n, K_уn, Δf - эквивалентная шумовая температура входа, коэффициент усиления и полоса пропускания измерителя мощности шумового сигнала, К, отн.ед. и Гц соответственно.

Измеренный в заданной полосе пропускания Δf уровень мощности шумового сигнала на выходе нагрузки, согласованной при температуре окружающей среды Т_о,
Р₂=К(Т_о+Т_n)K_уn ˙Δf, Вт .

Измеренный в заданной полосе пропускания Δf уровень мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника при подаче на его вход шумового сигнала с выхода согласованного по входу опорного усилителя
P= K + T_o+ T K_уи·Δf/ Вт/ если четырехполюсник обладает затуханием α.

P = K + T_o+ T K_уп·Δf, Вт, если четырехполюсник обладает коэффициентом усиления K_у/ где Т_ш - эквивалентная шумовая температура входа измеряемого четырехполюсника-усилителя/ К.

Измеренный в заданной полосе пропускания уровень мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника/ согласованного по входу/
Р₄'=К(Т_о+Т_n)K_уn ˙Δf, Вт / если четырехполюсник обладает затуханием.

P = K + T_o+ T K_уп·Δf, Вт/ если четырехполюсник-усилитель с коэффициентом усиления К_у.

При этом отношение разности уровней Р₃-Р₄ мощности к разности уровней Р₁-Р₂ мощности
γ′= = ;
γ″ = = .

Отсюда путем простого преобразования получают выражение (1) для определения затуханияα измеряемого четырехполюсника и выражение (2) для определения коэффициента усиления К_у четырехполюсника-усилителя.

На чертеже приведен один из возможных вариантов устройства для осуществления способа.

По предлагаемому способу измеряют в заданной полосе пропускания Δf уровень Р₁ мощности шумового сигнала на выходе согласованного по входу опорного усилителя 1 измерительным приемником 2 шумового сигнала с установленной входной полосой пропускания Δf через постоянный ограничительный аттенюатор 3 и СВЧ-переключатель 4 в положении I-II, III-IV, для чего источник 5 питания опорного усилителя включен, а к его входу подключена согласованная нагрузка 6.

Измеряют в заданной полосе пропускания Δf уровень Р₂ мощности шумового сигнала на выходе согласованной нагрузки при температуре окружающей среды Т_о (источник 5 питания опорного усилителя 1 выключен, при этом ограничительный 3 аттенюатор в выключенном состоянии усилителя служит согласованной нагрузкой для измерительного приемника 2 в положении СВЧ-переключателя 4 I-II, III-IV.

Измеряют в заданной полосе пропускания Δf уровень Р₃ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника 7 при подаче на его вход шумового сигнала с выхода согласованного по входу опорного усилителя 1 (источник 5 питания включен, СВЧ-переключатель находится в положении I-III, II-IV, при этом источник 8 питания четырехполюсника-усилителя 7 включен, его выход подключен к входу измерительного приемника 2 через ограничительный аттенюатор 9).

Измеряют в заданной полосе пропускания Δf уровень Р₄ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника, согласованного по входу (СВЧ-переключатель находится в положении I-III, II-IV, источник питания 5 опорного усилителя 1 выключен, а источник 8 питания измеряемого четырехполюсника-усилителя 7 включен, при этом ограничительный аттенюатор 3 в выключенном состоянии опорного усилителя 1 служит согласованной нагрузкой для измеряемого четырехполюсника).

Определяют отношение γиз выражения
γ = , отн.ед.

Определяют затухание α, если измеряемый четырехполюсник обладает затуханием, или коэффициент усиления К_у, если измеряемый четырехполюсник - усилитель, из выражения (1) или (2) соответственно.

Предложенный способ целесообразно использовать для прецизионного измерения малого ( ≅3 дБ) и большого (более 3 дБ) затухания и коэффициента усиления СВЧ-четырехполюсников в рабочем диапазоне частот более 78, 33 ГГц, что исключает необходимость разработки и изготовления в этом диапазоне генераторов гармонического сигнала или опорных источников шумового сигнала, прецизионных измерительных аттенюаторов и измерителей мощности гармонического или шумового сигнала, сложных в изготовлении и дорогостоящих, что экономит миллионы рублей.

Более того, так как предлагаемый способ не предусматривает для измерения α или К_у сравнения этих величин с затуханием эталонных аттенюаторов или с отношением мощностей прецизионных измерителей мощности, то он может быть использован как эталонный метод для поверки методов измерения α и К_у) и самих значений α и К_у четырехполюсников в любом диапазоне частот.

Для доведения способа до промышленного использования не требуется доработка существующей измерительной аппаратуры.

Изобретение может быть использовано для измерения затухания или коэффициентов усилия СВЧ-четырехполюсников. Цель изобретения - расширение области использования вплоть до измерения малых и больших затуханий и коэффициентов усилений в диапазоне частот более 78,33 ГГц при сохранении высокой точности измерения. Для этого измеряют в заданной полосе пропускания уровень P₁ мощности шумового сигнала на выходе согласованного по входу опорного усилителя, уровень P₂ мощности шумового сигнала на выходе нагрузки, согласованной при температуре окружающей среды, уровень P₃ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника при подаче на его вход шумового сигнала с выхода согласованного по входу опорного усилителя и уровень P₄ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника, согласованного по входу. При этом определяют отношение γ = (P₃-P₄)/(P₁-P₂), после чего определяют вносимое затухание α или коэффициент усиления K_у измеряемого четырехполюсника из выражений α = α₂/α₁β·γ, отн. ед.; K_у = α₁β,γ/ α₂ отн.ед.; где α₁ и α₂ - вносимое затухание тракта от выхода опорного усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала соответственно, отн.ед.; β - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого четырехполюсника до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ путем измерения в заданной полосе пропускания уровня P₁ мощности шумового сигнала на выходе согласованного по входу опорного усилителя, отличающийся тем, что, с целью расширения области его использования, измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень P₂ мощности шумового сигнала на выходе нагрузки, согласованной при температуре окружающей среды, уровень P₃ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника при подаче на его вход шумового сигнала с выхода согласованного по входу опорного усилителя и уровень P₄ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого четырехполюсника, согласованного по входу, при этом определяют отношение γ разности уровней P₃ - P₄ мощности к разности уровней P₁ - P₂ мощности, после чего определяют затухание α или коэффициент усиления K_Yизмеряемого четырехполюсника из выражений
α = , отн.ед./
K_у= , отн.ед./
где α₁ и α₂ - вносимое затухание тракта от выхода опорного усилителя до входа измеряемого четырехполюсника и до входа измерителя мощности шумового сигнала соответственно, отн.ед.;
β - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого четырехполюсника до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед.