Импульсный шумовой генератор Советский патент 1980 года по МПК H03B29/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических установках, в частности, в радиоизмерительной аппаратуре в качестве генераторов шумовых испытательных сигналов, а также в радиолокационных установках и в радиоастрономии. Известен импульсный шумовой генератор, аналогичный данному только по назначению и результату, достигаемому при его использовании. Техническая сущность этого генератора, обычно называемого тепловым генератором шума, заключается в следующем. По- . глотитель электромагнитной энергии (согласованная нагрузка) нагревается или охлаждается с помощью специальных установок. Температура шума на выходе такогЬ устройства определяется физической температурой материала нагрузки и приблизительно равна Недостатком этого генератора является сложность конструкции, обуслов ленная наличием специальных охлаждающих и нагревательных устройств. Так, например, в низкотемпературных тепловых генераторах шума применяются сложные криогенные установки, в качестве охлаждающего агента в которых используется жидкий азот, либо жидкий гелий или его пары, а в высокотемпературных импульсных генераторах шума сложные термостаты с подогревателем. . Кроме того, генератор такого типа имеет незначительный динамический диапазон рабочих уровней шумовых температур. Известен также импульсный шумовой генератор, содержащий короткозамыкатель, блок управления и последовательно соединенные параллельный ключ, полосовой фильтр и невзаимный элемент, причем выход блока управления, соединен с управляющим входим параллельного ключа 2. Недостатком этого генератора является недостаточный динамический диапазон рабочих уровней шумовых температур. Этот недостаток обусловлен возможностями охлаждающих и нагревательных устройств и физическими свойствами используемых материалов. Целью настоящего изобретения является расширение динамического диапазона рабочих уровней шумових температур. Поставленная цель достигается тем, что в. импульсный шумовой генератор, содержащий короткоэамыкатель блок управления и последовательно соединенные параллельныйключ, полосовой фильтр и невэаимный элемент, причем выход блока управления соединен с .управляющим входом параллельно го ключа, введена линия задержки, вход которой соединен с короткозамы кателем, а выход со входом параллель ного ключа. На фиг. 1 приведена блок-схема импульсного шумового генератора; на фиг; 2 даны графики зависимостей температуры шума от частоты в различ ных точках импульсного шумового генератора на фиг. 3 представлены вре менные диаграммы температуры шума на выходе импульсного шумового генерато ра.. Импульсный шумовой генератор содержит линий 1 задержки, подключенную с одной стороны к короткозамыка телю 2, а с другой - к параллельному ключу 3. Выход ключа подсоединен к последовательно соединенным полосовому фильтру 4 и невзаимному элементу 5. Выход невзаимного элемента является выходом генератора. Вход управления ключа 3 соединен с выходо блока б управления. Импульсный шумовой генератор раб тает следующим образом. П1эи размыкании выхода линии 1 за держки, закороченной с одно4 стороны короткозамыкателем 2, а с другой ст роны - ключом 3, с нее на вход поло сового фильтра 4 поступает шумовой сигнал с температурой шума Тд(фиг, 2а) тфи-е i4.e--ioie-2e2o®cos f г, где Тф - физическая температура линии задержки; . об - постояннаязатухания линий задержки; , - длина линии задержки; f - частота/ f - время задержки волны в линии задержки. На выходе полосового фильтра 4, имеющего полосу пропускания А 1/2 и центральную частоту f появится при этом шумовой сигнал с практичес ки постоянной в полосе частот Д f температурой шума Тр,. Величина Т,, при условии, что фильтр 4 близок к идеальному, определяется формулой-. Тф ii-e- ° j i e- oe-2e- coMrtf,tj то есть, равназначению THJ в точке , f frr(t . На фиг. 2 вкачестве центральных частот фильтраотмечены пунктиром дв частоты f и fg соответствующие максимуму и минимуму T/,j (резонансная и антирезонансная частоты линии задержки, закороченной с обоих концов), Далее этот шумовой сигнал поступает на невзаимный элемент 5, полоса рабочих частот которого шире, чем Л f, и коэффициент передачи от фильтра 4 к выходу практически равен единице, а в обратном направлении близок к нулю. Можно считать, что на выходе невзаимного элемента шумовой сигнал 5удет иметь ту же температуру шума, что и на выходе полосового фильтра 4, т.е. Tgjiiy Tf7(. Если коэффициент передачи невзаимного элемента не равен единице, его надо учесть в Т мовой сигнал с температурой шума будет присутствовать на выходе невзаимного элемента 5, являющегося выходом предлагаемого генератора, в течение времени , за которое линия 1 задержки очистится от накопленной в ней электромагнитной энергии. На фиг. 26 показана зависимость температуры шума от частоты на выходе импульсного шумового генератора при разомкнутом ключе 3 для случая, когда полосовой фильтр 4 настроен на частоту fr,ф f, . На фиг. 2в - то же, но для случая, когда полосовой фильтр 4 настроен на частоту Ч . Затем ключ 3 замыкается. Для того, чтобы при этом выходное сопротивление генератора не изменялось и используется невзаимный элемент 5, в качестве которого в диапазоне высоких и сверхвысоких частот может быть применен вентиль или циркулятор. Шумовой сигнал, который после замлкания ключа поступает на выход, определяется шумами генерируемыми невзаимным элементом 5 в сторону полосового фильтра 4. Составляющие спектра этого шума, которые лежат в полосе пропускания фильтра 4, поступают на выход генератора после отражения от ключа 3, а остальные - после отражения от входа полосового фильтра 4. Температура шума этого сигнала равна физической температуре невзаимногб элемента 5. При равномерном распределении температуры в элементах генератора она равна Тф . С момента замыкания ключа 3 в линии 1 задержки начинается процесс накопления и концентрации электромагнитной энергий на собственных резонансных частотах (Линия задержки, закороченная с обоих концов, образует резонатор).. Этот процесс длится в течение времени. t ti/oiv, (i) где V -скорость распространения волны вдоль линии задержки. По истечении времени t накопление и концентрация электромагнитной энергии в линии.задержки 1 прекращается, в ней устанавливается состояние термодинамического равновесия (стационарный режим), Ключ 3 снова размыкается и на выходе генератора шума в полрсе if появляется шумовой сигнал с температурой шума , Периодическое размыкание и замыка ник ключа 3 производится спомощью, управляющих импульсов, вырабатываемых блоком управления 6. При этом на выходе генератор.а образуется последо вательность импульсов шума с периодо следования, равным ( )Х. t, . На фиг. За показана временная диаграмма температуры шума на вйходе импульсного шумового генератора для случая, когда полосовой фильтр 4 настроен на частоту ff . На фиг. 36 - временная диаграмма Т вых. для случа когда полосовой фильтр настроен на частоту f1. , . Величины шумовых температур, кото рые могут быть получены на выходе им пульсного шумового генератора в поло се частот Д f в им пульсе длительностью 21; , определяются потерями в линии задержки 1 и могут быть рассчитаны по формуле (2). При малых потерях, когда об - О (oi 1 ) , максимальное и минимальное значения Т могут быть определены по следующим упрощенным формулам, которые получаются ,из (2) т -Trtjo e ubiy.MWH Ф ыу.ма« « / Температуру шума на. выходе импульсного шумового генератора в полосе ijif можно плавно изменять в пределах от .MM яа .Mg,. На фиг. 2 показано, что величи на зависит от положения максимумов и минимумов Тд1, относительно центральной частоты полосового филь ра. Положение максимумов и минимумо Тдт, определяется расстоянием, в котором расположен короткозамглкатель относительно линии задержки (меняет резонансная частота резонатора, образованного линией задержки 1, коро козамыкателем 2 и ключом 3). Выполнив короткозамь1катель 2 в виде длин ной линии переменной электрической длины, можно получать на выходе импульсного шумового генератора в импульсе длительностью 2Тз любую температуру шума в пределах от Tmci до тф/уе. . При этом изменение длины линии к роткозамыкателя составляет величину равную Vjj/ fr {j, где Vj. - скорость распространения электромагнитной вол ны в линии короткозамыкателя. Короткозамыкатель 2 может вы полнен в виде нескольких (по числу уровней шума) ключей замыкания со своим блоком управления, разделенны (Б) отрезками линии передачи и закорачивающих поэтому вход линии задержки 1 на разных расстояниях. В этом случае импульсный шумовой генератор будет оперативно обеспечивать в полосе частот д f импульсы шума с различными уровнями. Ключи замыкания, могут переключаться вручную, либо автоматически, рт своего блока управления по заданной програг.1ме. Как показали испытания, температура шума на выходе генератора в диапазоне частот ,1 МГц в импульсе длительностью О,5 мкс в зависимости от положения короткозамыкателя изменяется от 200 до 650 К. Если требуется получить более широкий динамичбский диапазон рабочих уровней шума, то нужно применять линию задерж- . ки с меньшими, чем 0,05 дБ/м потерями . Импульсный шумовой генератор прост по. конструкции, так как в нем отсутствуют сложные охлаждающие и нагревательные устройства, нет дорогостоящих и дефицитных материалов, не требуется герметизация устройства и т.п. Генератор имеет широкий динамический диапазон рабочих уровней, так как на выходе генератора могут быть получены в импульсе, шумовые температуры от значений близких -к О до значений, превышающих . Кроме того, он потребляет незначительную энергию от источников питания (по существу, энергия нужна только для переключения ключей), так как электромагнитная энергия на выходе генератораявляется результатом непосредственного преобразования тепловой энергии окружающей среды. Все это обуславливает большой технико-экономический эффект, который может быть получен от внедрения генератора. Формула изобретения I Импульсный шумовой генератор, содержащий короткозамыкатель, блок управления и последовательно соединенные параллельный ключ, полосовой фильтр и невзаимный элемент, причем ,выход блока управления соединен с управляющим входом параллельного ключа, отличающ.ийся тем, что, с целью расширения динамического дич1пазона рабочих уровней шумовых температур, в него введена линия задержки, вход которой соединен с короткозамыкателем/ а вых:од со входом параллельного ключа. Источники информации, принятые во внимание пр1И экспертизе 1.Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. Энергия М., 1971, с. 85-86. 2.Долгов В.А. и Келин Л.В. Электронные датчики для автомагических систем контроля. М. , Сов. радио, 1968, с. 78-79.