Способ определения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя

 

Изобретение позволяет повысить точность измерения шумовой температуры СВЧ-усилителей с большим коэффициентом усиления (20 - 60 дБ и более) за счет учета их линейности усиления при подаче на вход шумовых сигналов с шумовой температурой T₁ и T₂ . Сущность изобретения: для определения T_ш подают шумовой сигнал от эталонных источников шума с шумовой температурой T₁ и T₂ на вход дополнительного усилителя, шумовая температура которого идентична шумовой температуре измеряемого усилителя, и измеряют уровень P₁ и P₂ соответственно мощности шумового сигнала на его выходе. После этого подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал от эталонного источника шума с шумовой температурой T₂ и изменяют уровень мощности шумового сигнала на его выходе до величины, равной измеренному значению P₂ на выходе дополнительного усилителя, после чего еще раз изменяют уровень мощности шумового сигнала на его выходе до уровня, равного измеренному значению P₁ , измеряют значение М этого изменения и определяют значение T_ш шумовой температуры измеряемого усилителя из выражения, приведенного в формуле изобретения. 1 ил.

Изобретение относится к технике радиоизмерений на СВЧ и может быть использовано для измерения шумовой температуры СВЧ усилителей с большим коэффициентом усиления (20-60 дБ и более). Известен способ двух отсчетов измерения эквивалентной шумовой температуры входа СВЧ-усилителей, который предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий: подают на вход усилителя шумовой сигнал от эталонного источника шума с шумовой температурой Т1; измеряют уровень Р1 мощности шумового сигнала на выходе усилителя; подают на вход усилителя шумовой сигнал от эталонного источника шума с шумовой температурой Т2; измеряют уровень Р2 мощности шумового сигнала на выходе усилителя; определяют отношение М уровней мощности шумового сигнала на выходе усилителя из выражения М = M = отн.ед.; определяют шумовую температуру Т_ш усилителя из выражения T_ш= - -T₀- , K (1) где Т_о - температура окружающей среды, К; α ₁, α ₂- вносимое затухание тракта от выхода эталонного источника шума с шумовой температурой Т1 и Т2 соответственно до входа усилителя, отн.ед.; К_у - коэффициент усиления усилителя, отн.ед.; Т_и - шумовая температура измерителя мощности шумового сигнала, К. Недостатком этого способа является невысокая точность измерения шумовой температуры усилителя из-за большой погрешности определения значения М по измерителю мощности (измерительному приемнику) шумового сигнала, больших значений, во многих приемниках, шумовой температуры Т_и, а также, при больших коэффициентах усиления современных СВЧ-усилителей (20-60 дБ и более), из-за неучета линейности усиления усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов с шумовой температурой Т1 и Т2. Известен также способ постоянного уровня измерения эквивалентный шумовой температуры входа СВЧ-усилителей, который предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий: подают на вход усилителя шумовой сигнал от эталонного источника шума с шумовой температурой Т1; измеряют уровень Р1 мощности шумового сигнала на выходе усилителя; подают на вход усилителя шумовой сигнал от эталонного источника шума с шумовой температурой Т2; изменяют уровень мощности шумового сигнала на выходе усилителя до достижения этого уровня, равного измеренному значению Р1, и измеряют значение М этого изменения; определяют шумовую температуру Т_ш усилителя из выражения T_ш= - -T₀+ , K (2) где Т_о, α ₁, α ₂, K_y - см. выражение (1). Однако способ постоянного уровня, как и способ двух отсчетов, обладает, при большом коэффициенте усиления усилителя (20-60 дБ и более), большой погрешностью измерения (см. ниже) из-за неучета линейности усиления усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов с шумовой температурой Т1 и Т2. Цель изобретения - повышение точности измерения шумовой температуры за счет исключения погрешности измерения, обусловленной линейностью усиления измеряемого усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов с шумовой температурой Т1 и Т2. Предлагаемый способ измерения шумовой температуры усилителя основан на подаче на вход измеряемого усилителя шумового сигнала от эталонного источника шума, изменении уровня мощности шумового сигнала на его выходе и измерении значения М этого изменения. Поставленная цель достигается за счет того, что подают шумовой сигнал от эталонных источников шума с шумовой температурой Т1 и Т2 на вход дополнительного усилителя, шумовая температура которого идентична (близка, приблизительно равна с погрешностью до 10%) шумовой температуре измеряемого усилителя, и измеряют уровень мощности шумового сигнала Р1 и Р2 соответственно не его выходе, подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал от эталонного источника шума с шумовой температурой Т2, при этом предварительно изменяют уровень мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до величины, равной измеренному значению Р2 на выходе дополнительного усилителя, после чего изменение М уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя осуществляют до уровня, равного измеренному значению Р1 на выходе дополнительного усилителя, а эквивалентную шумовую температуру входа измеряемого усилителя определяют из выражения T_ш= -T₀+ ,K (4) где Т_о, α ₁, α ₂, K_y - см. выражение (1);
Δ К - линейность усиления дополнительного усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов от эталонных источников шума с шумовой температурой Т1 и Т2, отн.ед. Способ заключается в следующем. При подаче на вход дополнительного усилителя шумового сигнала от эталонного источника с шумовой температурой Т1 уровень мощности шумового сигнала на его выходе равен
P= K + T₀+TK_и·Δf, Вт
(5) где T_д, Т_и - эквивалентная шумовая температура входа дополнительного усилителя и индикатора мощности на его выходе соответственно, К;
К_д, К_и - коэффициент усиления дополнительного усилителя и индикатора мощности на его выходе соответственно, отн.ед.;
Δ f - полоса пропускания индикатора мощности, Гц;
α'₁, α _д - вносимое затухание тракта от выхода эталонного источника шума с шумовой температурой Т1 до входа дополнительного усилителя и от выхода последнего до входа индикатора мощности соответственно, отн.ед.;
К = 1,38 х 10^-23 Вт/град ˙ Гц - постоянная Больцмана. При подаче на вход измеряемого усилителя шумового сигнала от эталонного источника с шумовой температурой Т1 и изменении уровня мощности шумового сигнала на его выходе до достижения этого уровня, равного измеренному значению Р1 на выходе дополнительного усилителя, этот уровень равен
P= K + T₀+TK_и·Δf, Вт
(6) где α ₁, α _и - вносимое затухание тракта от выхода эталонного источника шума с шумовой температурой Т1 до входа измеряемого усилителя и от выхода последнего до входа индикатора мощности соответственно, отн.ед. При подаче на вход дополнительного усилителя шумового сигнала от эталонного источника шума с шумовой температурой Т2 уровень Р2 мощности шумового сигнала на его выходе определяется из выражения
P= K + T₀+TK_и·ΔK_и·Δf, Вт
(7) где Δ К, Δ К_и - линейность усиления (приращение коэффициента усиления) дополнительного усилителя и индикатора мощности соответственно при подаче на вход дополнительного усилителя шумового сигнала с шумовой температурой Т1 и Т2, отн.ед.;
α ₂'- вносимое затухание тракта от выхода эталонного источника шума с шумовой температурой Т2 до входа дополнительного усилителя, отн.ед. При изменении уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до достижения этого уровня, равного измеренному значению Р2 на выходе дополнительно усилителя, при подаче на вход измеряемого усилителя шумового сигнала с шумовой температурой Т2, этот уровень определяется из выражения
P= K + T₀+TK_и·ΔK_и·Δf, Вт
(8) где α _комп - значение изменения уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, отн.ед.;
Δ К_у - линейность усиления измеряемого усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов с шумовой температурой Т1 и Т2, отн.ед. При последующем изменении уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до достижения этого уровня, равного измеренному значению Р1, этот уровень определяется из выражения
P= K + T₀+TK_и·Δf, Вт
(9) где М - значение этого последующего изменения уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, отн.ед. Решая совместно уравнения (6) и (9) определяем значение Т_ш из выражения
T_ш= - - T₀+ ,K
(10)
Решая совместно уравнения (7) и (8), находим следующее выражение для Δ К_у при α₁^' = α₁ , α₂^' = α₂, а Т_д = Т_ш = Т:
Δ К_у ≈ α _комп ˙ Δ К, отн.ед . (11)
А решая совместно уравнения (10) и (11), получаем выражение (4) для определения Т_ш. Таким образом, изменяя уровень мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя на значение α _комп, фактически компенсирует часть линейности усиления измеряемого усилителя, равную приращению линейности усиления измеряемого усилителя по отношению к линейности усиления дополнительного усилителя, так как
α_комп= , отн.ед. А вторая часть линейности усиления, равная Δ К, учитывается в формуле измерения. Однако, если в качестве дополнительного усилителя выбрать первый каскад усиления одного или каждого из усилителей из серии измеряемых с коэффициентом усиления 12-18 дБ, то значением Δ К можно пренебречь при измерении Т_ш малошумящих широкополосных СВЧ-усилителей с коэффициентом усиления 30-60 дБ и более, так как изменение Δ К_уосуществляется в основном за счет последних каскадов усиления. В этом случае Δ K_y ≈ α_комп и значение Δ К в выражении (4) принимают равным 1. В соответствии с изложенным, значение М в выражении (4) найдено с учетом линейности усиления измеряемого усилителя, хотя само значение Δ К_у измеряемого усилителя не измеряется и неизвестно, что исключает погрешность измерения Т_ш, присущую известному способу и способу-прототипу из-за неучета линейности усиления измеряемого усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов с шумовой температурой Т1 и Т2. При этом значение К_д коэффициента усиления дополнительного усилителя должно быть не менее 12-18 дБ зависит от значения шумовых температур (Т1, Т2 и Т_ш). На чертеже приведен один из возможных вариантов устройства для осуществления предлагаемого способа. Способ измерения шумовой температуры усилителя предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий:
подают шумовой сигнал от эталонного источника шума 1 с шумовой температурой Т1 (низкотемпературный генератор шума (НГШ) с аттенюатором на выходе, относительное затухание которого равно 0 дБ, или высокотемпературный генератор шума (ВГШ) в выключенном состоянии) на вход дополнительного усилителя 2 (через переключатель 3), шумовая температура которого идентична шумовой температуре измеряемого усилителя;
измеряют уровень Р1 мощности шумового сигнала на выходе дополнительного усилителя 2 (индикатором мощности 4 через переключатель 5);
подают шумовой сигнал от эталонного источника шума 1 с шумовой температурой Т1 на вход измеряемого усилителя 6 (через переключатель 3, операция не обязательна, см. ниже);
изменяют уровень мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 6 (вводят затухание компенсационного аттенюатора 7) до достижения этого уровня на частоте измерения шумовой температуры, равного измеренному значению Р1 на выходе дополнительного усилителя 2 (индикатор мощности 4 через переключатель 5 подключен к выходу компенсационного аттенюатора 7, операция не обязательна);
подают на вход дополнительного усилителя 2 шумовой сигнал от эталонного источника шума 1 с шумовой температурой Т2 (НГШ при полностью введенном затухании ( ≥ 26 дБ) аттенюатора на его выходе или ВГШ во включенном состоянии) через переключатель 3;
измеряют уровень Р2 мощности шумового сигнала на выходе дополнительного усилителя (индикатором мощности 4 через переключатель 5);
подают шумовой сигнал от эталонного источника шума 1 с шумовой температурой Т2 на вход измеряемого усилителя 6 (через переключатель 3);
изменяют уровень мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 6 (изменяют затухание компенсационного аттенюатора 7) до величины, равной измеренному значению Р2 на выходе дополнительного усилителя 2 (индикатор мощности 4 через переключатель 5 подключен к выходу компенсационного аттенюатора 7, приращение α _комп затухания которого в этой операции компенсирует изменение линейности усиления измеряемого усилителя 6е по отношению к линейности усиления Δ К дополнительного усилителя 2);
изменяют уровень мощности сигнала на выходе измеряемого усилителя 6 (вводят затухание измерительного аттенюатора 8) до уровня, равного измеренному значению Р1, и измеряют значением М этого изменения (измеряют приращение М затухания измерительного аттенюатора 8);
определяют значения Т_ш шумовой температуры измеряемого усилителя 6 из выражения (4). Предложенный способ целесообразно использовать для прецизионного измерения шумовой температуры широкополосных (0,05-4 ГГц и более) малошумящих СВЧ-усилителей с большим коэффициентом усиления (20-60 дБ и более).

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ путем подачи на его вход шумового сигнала от эталонного источника шума, измерения уровня мощности шумового сигнала на его выходе и измерения значения М этого изменения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, подают шумовой сигнал от эталонных источников шума с шумовой температурой T₁ и T₂ на вход дополнительного усилителя, шумовая температура которого идентична шумовой температуре измеряемого усилителя, и измеряют уровень мощности шумового сигнала P₁ и P₂ соответственно на его выходе, подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал от эталонного источника шума с шумовой температурой T₂, при этом предварительно изменяют уровень мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до величины, равной измеренному значению P₂ на выходе дополнительного усилителя, после чего изменение M уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя осуществляют до уровня, равного измеренному значению P₁ на выходе дополнительно усилителя, а эквивалентную шумовую температуру входа измеряемого усилителя T_ш определяют из выражения:

где T₀ - температура окружающей среды, K;
α₁, α₂ - вносимое затухание тракта от выхода эталонного источника шума с шумовой температурой T₁ и T₂ соответственно до входа измеряемого усилителя, отн.ед.:
K_у - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед.;
ΔK - линейность усиления дополнительного усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов от эталонных источников шума с шумовой температурой T₁ и T₂, отн.ед.

РИСУНКИ

Рисунок 1