Изобретение относится к радиоизмерениям на СВЧ и может быть использовано для измерения шумовой температуры широкополосных СВЧ-усилителей с высокой точностью.
Известны способ двух отсчетов и способ постоянного уровня для измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя, которые предусматривают выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий: измеряют отношение М уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя при подключении к его входу согласованной нагрузки и подаче на его вход шумового сигнала с шумовой температурой Т; определяют шумовую температуру измеряемого усилителя из выражения
Tш= - To- (1) если отношение М определяют посредством двух отсчетов уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя по измерителю мощности шумового сигнала,
Tш= - To+ , K (2) если отношение М измеряют методом постоянного уровня по измерительному аттенюатору на выходе измеряемого усилителя путем введения его затухания до достижения равенства уровней мощности шумового сигнала по индикатору мощности шумового сигнала, где α, β - вносимое затухание тракта от выхода опорного источника шума с шумовой температурой Т до входа измеряемого усилителя и от выхода последнего до входа измерителя мощности шумового сигнала соответственно, отн.ед.;
Кy - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед.;
То - температура окружающей среды, К;
Ти - эквивалентная шумовая температура входа измерителя мощности шумового сигнала, К.
Точность измерения способом постоянного уровня выше, чем способом двух отсчетов, однако он может быть использован для измерения Тш только очень узкополосных СВЧ-усилителей, в диапазоне выходных частот которых имеются прецизионные измерительные аттенюаторы. Способ двух отсчетов может быть использован для измерения Тш более широкополосных усилителей, однако и здесь имеется ограничение в связи с ограничением по частотному диапазону опорных источников шумового сигнала.
Для разрешения этого противоречия разработан способ двух отсчетов и способ постоянного уровня, для осуществления которого в качестве опорного источника шумового сигнала с шумовой температурой Т использован опорный усилитель, например из серии измеряемых, согласованный по входу и аттестованный по эквивалентной шумовой температуре входа Тша и коэффициенту усиления Куа. Эквивалентная шумовая температура Т выхода такого опорного усилителя может быть определена из выражения
Т=(То+Тша)Куа, К. (3)
Таким образом, при использовании широкополосных опорных СВЧ-усилителей в качестве опорного источника шумового сигнала способ двух отсчетов может быть использован для измерения Тш широкополосных коаксиальных СВЧ-усилителей, например, в диапазоне 1-18 ГГц. Однако он обладает большой погрешностью измерения Тш из-за сравнительно невысокой точности определения М по отношению уровней мощности шумовых сигналов P2/P1, так как в этом случае на точность измерения М влияют погрешности измерения самих значений Р1 и Р2. А это, в свою очередь, все же ограничивает функциональные возможности способа двух отсчетов - для измерения Тш в тех диапазонах выходных частот измеряемого усилителя, в которых имеются прецизионные измерители мощности шумовых сигналов.
Более того, способ двух отсчетов обладает ограниченными функциональными возможностями также из-за наличия в формуле измерения (1) члена, равного , которым нельзя пренебречь даже при Ку=26 дБ (400 ед.) и β = 1, если Ти ≥ 40000 К.
При этом необходимо следить, чтобы значение β было близко к 1 (непосредственное подключение измеряемого усилителя к измерителю мощности шумового сигнала), так как в противном случае при Ку=26 дБ и Ти≥40000 К добавка в выражении (1) будет равна или больше 100 β, что может привести к погрешности измерения до 30% и более. Если же Ку= 5-10 дБ (однокаскадные СВЧ-усилители), то при той же 30%-ной погрешности (член равен 100 β) значение Ти должно быть не более 500-1000 К, что практически не всегда возможно. А для уменьшения погрешности в 10 раз (до 3%) значение Ти должно быть в пределах 50-100 К, что не реально.
Способ двух отсчетов по авт.св. N 1561690 наиболее близкий к заявляемому по своей технической сущности, поэтому он принят в качестве способа-прототипа.
Целью изобретения является обеспечение измерения шумовой температуры широкополосных СВЧ-усилителей при одновременном повышении точности измерения.
Заявленный способ измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителей основан на измерении мощности Р1 и Р2 шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя при подключении к его входу согласованной нагрузки и подаче на его вход шумового сигнала с шумовой температурой Т соответственно.
Поставленная цель достигается тем, что измеряют мощность Р3шумового сигнала на выходе согласованной нагрузки, после чего определяют эквивалентную шумовую температуру входа усилителя Тш из выражения
Tш= (T-To)-To+ , K (4)
Отсюда очевидно, что по точности измерения заявленный способ соответствует способу постоянного уровня. Это достигается за счет того, что полная формула обоих способов отличается только членами и (М-1), а само выражение измеряется с высокой точностью на любом стабильном во времени и линейном даже не измерителе, а просто индикаторе мощности шумового сигнала, так как при измерении разностей Р1-Р3 и Р2-Р1исключается систематическая погрешность измерения уровня мощности, а при определении отношения этих разностей исключается погрешность масштабного коэффициента.
По сравнению со способом-прототипом заявленный способ обладает более высокой точностью измерения, так как значение М по способу-прототипу определяется с большой погрешностью. При этом заявленный способ обладает более широкими функциональными возможностями, так как не требует для своего осуществления прецизионного измерителя мощности шумового сигнала, а только стабильного во времени и линейного индикатора мощности; не содержит в своей полной формуле измерения члена , который в способе-прототипе накладывает жесткие ограничения на значение Ку, Ти, β (см. выше), что в реальных измерительных трактах не всегда возможно.
Таким образом, заявленный способ измерения обладает широкими функциональными возможностями, пригоден для прецизионного измерения Тшне только узкополосных, но и широкополосных коаксиальных СВЧ-усилителей с преобразованием и без преобразования частоты, в диапазоне входных частот которых отсутствуют опорные источники шумового сигнала.
В этом случае для измерения Тш широкополосных СВЧ-усилителей опорный усилитель аттестуют по эквивалентной шумовой температуре входа от ряда узкополосных опорных источников шума.
Все это исключает необходимость разработки и изготовления сложных, трудоемких и дорогих широкополосных коаксиальных генераторов шума.
Обоснование заявленного способа заключается в следующем. Измеренный в заданной полосе Δf уровень Р1 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, равен
P1= K + To+TKуп·Δf, Вт (5) где K=1,38 ˙ 10-23 Вт/град ˙ Гц - постоянная Больцмана;
То - температура окружающей среды, К;
Тш, Ку - эквивалентная шумовая температура входа и коэффициент усиления измеряемого усилителя, К и отн. ед. соответственно;
Ти, Куп, Δf - эквивалентная шумовая температура входа, коэффициент усиления и полоса пропускания измерителя мощности шумового сигнала, К, отн. ед. и Гц соответственно,
β - вносимое затухание тракта от выхода из меряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед.
Измеренный в заданной полосе Δf уровень Р2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, на вход которого подают шумовой сигнал с выхода согласованного по входу опорного усилителя, аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Тша и коэффициенту усиления Куа, равен
P2= K + To+TKуп·Δf,Вт (6) где α - вносимое затухание тракта от выхода опорного усилителя до входа измеряемого усилителя, отн.ед.
Измеренный в заданной полосе Δf уровень Р3 мощности шумового сигнала на выходе нагрузки, согласованный при температуре окружающей среды То, равен
Р3=К(То+Ти)Куп Δf,Вт . (7)
При этом измеренное отношение разности уровней мощности Р1-Р3 к разности уровней мощности Р2-Р1 равно
= , отн. ед. (8)
Отсюда, путем простого преобразования и с учетом выражения (3) получаем выражение (4) для определения Тш.
На чертеже приведен один из возможных вариантов устройства для осуществления заявленного способа.
Предложенный способ измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий.
Измеряют в заданной полосе пропускания Δf уровень Р1 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 1, согласованного по входу измерительным приемником 2 шумового сигнала с установленной входной полосой пропускания Δf через постоянный ограничительный аттенюатор 3, для чего источник питания 4 измеряемого усилителя 1 включен, а источник питания 5 опорного усилителя 6 выключен, при этом к входу опорного усилителя 6 подключена нагрузка согласования 7, а его выход подключен к входу измеряемого усилителя 1 через постоянный ограничительный аттенюатор 8, который в выключенном состоянии опорного усилителя 6 служит нагрузкой, согласованной для измеряемого усилителя 1.
Измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания Δf уровень Р2мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 1, на вход которого подают шумовой сигнал с выхода согласованного по входу опорного усилителя 6, аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Тша и коэффициенту усиления Куа (источники питания 4 и 5 измеряемого и опорного усилителей 1 и 6 включены).
Измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания Δf уровень Р3мощности шумового сигнала на выходе нагрузки, согласованной при температуре окружающей среды То (источники питания 4 и 6 измеряемого и опорного усилителей 1 и 6 выключены, при этом ограничительный аттенюатор 3 в выключенном состоянии усилителей 1 и 6 служит нагрузкой, согласованной для измерительного приемника 2).
Определяют эквивалентную шумовую температуру входа измеряемого усилителя 1 из выражения (4).
Предложенный способ целесообразно использовать для прецизионного измерения шумовой температуры входа широкополосных коаксиальных СВЧ-усилителей, при этом в качестве опорного может быть использован один из серии измеряемых усилителей, а также и узкополосных усилителей, для которых в настоящее время не созданы прецизионные источники шумового сигнала. В последнем случае в качестве опорного может быть использован усилитель с преобразованием частоты, на входных частотах которого имеются источники шумового сигнала.
При этом отпадает необходимость в разработке целого ряда опорных источников шумового сигнала, особенно широкополосных, с шумовой температурой Т выше или ниже То.
Все это ускорит качественную разработку усилителей СВЧ, в частности коаксиальных сверхширокополосных, в диапазонах входных частот, не обеспеченных в настоящее время опорными источниками шумового сигнала.
Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано для измерения шумовой температуры СВЧ-усилителей, в частности широкополосных, и в диапазонах частот, не обеспеченных опорными источниками шумового сигнала. Целью является обеспечение измерения шумовой температуры широкополосных СВЧ-усилителей и повышение точности. Для этого измеряют уровень P1 мощности шумового сигнала на выходе согласованного по входу измеряемого усилителя в заданной полосе пропускания, подают шумовой сигнал с выхода согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Tш и коэффициенту усиления Kуа опорного усилителя на вход упомянутого измеряемого усилителя и измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень P2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, а также измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень P3 мощности шумового сигнала на выходе согласованной нагрузки при температуре окружающей среды To После этого определяют отношение γ разности уровней P1-P3 к разности уровней P2-P1 и определяют шумовую температуру Tш измеряемого усилителя из выражения Tш=γ/α[T-To)]-To+To/Kу, K, где α - затухание шумового сигнала от источника с шумовой температурой T до входа измеряемого усилителя на частоте измерения Tш, относительно.ед.; Kу - коэффициент усиления измеряемого усилителя на частоте измерения Tш относительно.ед. 1 ил.
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ, заключающийся в измерении мощности P1 шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя при подключении к его входу согласованной нагрузки и мощности P2 шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя при подаче на его вход шумового сигнала с шумовой температурой T, отличающийся тем, что, с целью обеспечения измерения шумовой температуры широкополосных СВЧ-усилителей и повышения точности, дополнительно измеряют мощность P3 шумового сигнала на выходе согласованной нагрузки, а эквивалентную шумовую температуру входа усилителя определяют по формуле
где α - затухание шумового сигнала от источника с шумовой температурой T до входа измеренного усилителя, отн.ед.;
Tо - температура окружающей среды, К;
Kу - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед.
Крейнгель Н.С | |||
Шумовые параметры радиоприемных устройств | |||
Л.: Энергия, 1969, с.161-162. |
Авторы
Даты
1995-01-27—Публикация
1989-12-05—Подача