Способ измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя

 

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 T_ш и коэффициенту усиления K_уа 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 T_o После этого определяют отношение γ разности уровней P₁-P₃ к разности уровней P₂-P₁ и определяют шумовую температуру T_ш измеряемого усилителя из выражения T_ш=γ/α[T-T_o)]-T_o+T_o/K_у, K, где α - затухание шумового сигнала от источника с шумовой температурой T до входа измеряемого усилителя на частоте измерения T_ш, относительно.ед.; K_у - коэффициент усиления измеряемого усилителя на частоте измерения T_ш относительно.ед. 1 ил.

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 T_ш= - T_o- (1) если отношение М определяют посредством двух отсчетов уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя по измерителю мощности шумового сигнала, T_ш= - T_o+ , 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.; К_y - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед.; Т_о - температура окружающей среды, К; Т_и - 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 Т_ш только очень узкополосных СВЧ-усилителей, в диапазоне выходных частот которых имеются прецизионные измерительные аттенюаторы. Способ двух отсчетов может быть использован для измерения Т_ш 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 Т_ша и коэффициенту усиления К_уа. Эквивалентная шумовая температура Т выхода такого опорного усилителя может быть определена из выражения Т=(Т_о+Т_ша)К_уа, К. (3) Таким образом, при использовании широкополосных опорных СВЧ-усилителей в качестве опорного источника шумового сигнала способ двух отсчетов может быть использован для измерения Т_ш широкополосных коаксиальных СВЧ-усилителей, например, в диапазоне 1-18 ГГц. Однако он обладает большой погрешностью измерения Т_ш 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 Т_ш 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 К_у=26 дБ (400 ед.) и β = 1, если Т_и ≥ 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 К_у=26 дБ и Т_и≥40000 К добавка в выражении (1) будет равна или больше 100 β, что может привести к погрешности измерения до 30% и более. Если же К_у= 5-10 дБ (однокаскадные СВЧ-усилители), то при той же 30%-ной погрешности (член равен 100 β) значение Т_и должно быть не более 500-1000 К, что практически не всегда возможно. А для уменьшения погрешности в 10 раз (до 3%) значение Т_и 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 Т_ш из выражения T_ш= (T-T_o)-T_o+ , 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 К_у, Т_и, β (см. выше), что в реальных измерительных трактах не всегда возможно. Таким образом, заявленный способ измерения обладает широкими функциональными возможностями, пригоден для прецизионного измерения Т_шне 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 Т_ш 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 + T_o+TK_уп·Δf, Вт (5) где K=1,38 ˙ 10^-23 Вт/град ˙ Гц - постоянная Больцмана;
Т_о - температура окружающей среды, К;
Т_ш, К_у - эквивалентная шумовая температура входа и коэффициент усиления измеряемого усилителя, К и отн. ед. соответственно;
Т_и, К_уп, 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 Т_ша и коэффициенту усиления К_уа, равен
P₂= K + T_o+T ^Kуп·Δ^{f, 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 Т_о, равен
Р₃=К(Т_о+Т_и)К_уп 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 Т_ш. 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 Т_ша и коэффициенту усиления К_уа (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 Т_о (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 Т_о. Все это ускорит качественную разработку усилителей СВЧ, в частности коаксиальных сверхширокополосных, в диапазонах входных частот, не обеспеченных в настоящее время опорными источниками шумового сигнала.

Формула изобретения

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.;
T_о - температура окружающей среды, К;
K_у - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед.

РИСУНКИ

Рисунок 1