Способ определения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя

 

Использование: изобретение относится к измерению шумовой температуры СВЧ-усилителей с преобразованием частоты в диапазоне входных частот более 78,33 ГГц, а выходных - менее 78,33 ГГц. Существо изобретения: измеряют в заданной полосе пропускания уровни P₀, P₁ и P₂ мощности шумового сигнала на выходе измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу, на выходе опорного источника шумового сигнала с шумовой температурой Т на его выходе, выше или ниже температуры окружающей среды T_o и на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу соответственно. Затем изменяют уровень P₂ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до достижения его значения P₂=P₁ если P₁>P₀, или значения P₂=2P₀-P₁, если P₁<P и измеряют значение М этого изменения. После этого определяют шумовую температуру T_ш измеряемого усилителя из выражения если P₁>P_o или из выражения , если P₁<P, где α,β - вносимое затухание тракта от входа измеряемого усилителя и опорного источника шумового сигнала соответственно до входа измерителя мощности шумового сигнала, относительно. ед. K_у - коэффициент усиления измеряемого усилителя.отн.ед. 1 ил.

Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано для прецизионного измерения шумовой температуры СВЧ усилителей, в частности с преобразованием частоты в диапазоне входных частот более 78,33 ГГц. Известны широко распространенные способ постоянного уровня и способ двух отсчетов измерения шумовой температуры СВЧ-усилителей, которые предусматривают выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий: подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал от опорного источника шума с шумовой температурой окружающей среды Т_о; подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал от опорного источника шума с шумовой температурой Т ниже или выше Т_о; измеряют отношение М уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя в заданной полосе пропускания, для чего: при использовании способа постоянного уровня измеряют при подаче на вход усилителя шумового сигнала с шумовой температурой Т_о уровень мощности шумового сигнала на выходе усилителя, а при подаче на вход усилителя шумового сигнала от опорного источника шума изменяют уровень мощности шумового сигнала на выходе усилителя до достижения этого уровня, равного измеренному, и измеряют значение М этого изменения; при использовании способа двух отсчетов измеряют уровни Р₁ и Р₂мощности шумового сигнала на выходе усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов с шумовой температурой Т_о и Т соответственно, после чего измеряют отношением М, равное определяют шумовую температуру Т_шизмеряемого усилителя из выражения: T_ш = - T_o+ , K при T < T_o (1') T_ш = - T_o+ , K при T > T_o (1'') если отношение М измеряется методом постоянного уровня T_ш = - T_o + , K при T < T_o (2 ) T_ш = - T_o + , K при T > T_o (2 ) если отношение М измеряется методом двух отсчетов, 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 на частоте измерения Т_ш, отн.ед.; К_y - коэффициент усилителя измеряемого усилителя на частоте измерения Тш, отн.ед.; ΔК_уи,Т_и - линейность усиления и эквивалентная шумовая температура входа измерителя мощности шумового сигнала на частоте измерения Т_ш, отн.ед. и К. Способ повторного уровня более точный, чем способ двух отсчетов, за счет более точного измерения отношения М, исключения ΔК_уи и отсутствия в формуле измерения члена . Оба этих известных способа обладают ограниченной областью использования по частному диапазону в связи с ограничением по этому диапазону опорных источников шума с шумовой температурой Т, отличной от температуры окружающей среды Т_о, в рабочем диапазоне частот выше 78,33 ГГц. Для преодоления этого недостатка известных способов потребовалась бы разработка и изготовление большого количества прецизионных опорных источников шумового сигнала с шумовой температурой Т на выходе ниже или выше Т_о в диапазоне частот выше 78,333 ГГц. Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому способу-прототипу измерения эквивалентной шумовой температуры входа СВЧ усилителей с преобразованием частоты в диапазоне входных частот более 78,33 ГГц, который предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий: измеряют в заданной полосе пропускания уровень P_o мощности шумового сигнала на выходе измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу;
измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₁ мощности шумового сигнала на выходе опорного источника шумового сигнала на выходе опорного источника шумового сигнала (в диапазоне выходных частот измеряемого усилителя) с шумовой температурой Т на его выходе, выше или ниже температуры окружающей среды Т_о;
измеряются в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₂мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу и аттестованного по коэффициенту усиления К_y;
измеряют отношение М разностей измеренных уровней мощности шумового сигнала из выражения:
M = отн.ед.; (3) определяют шумовую температуру измеряемого усилителя из выражения:
+ (T_o+T_и)[M(ΔK-1)-(ΔK-1)] - (4) которое при ΔК _уи= ΔК _уи=1 приводится к виду
T_ш = - T_o+ , K (4 ) где α, β - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя и опорного источника шумового сигнала соответственно до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед.;
Т_и - эквивалентная шумовая температура входа измерителя мощности шумового сигнала, К;
ΔК _уи, ΔК _уи - линейность усиления измерителя мощности шумового сигнала при подаче на его вход шумовых сигналов с выхода опорного источника шумового сигнала И С выхода измеряемого усилителя соответственно по отношению к согласованному входу, отн.ед. Как видно из формулы измерения (4) способ-прототип требует для своего осуществления высоколинейных измерителей мощности шумового сигнала (ΔК _уи= = ΔК _уи= 1), которых, при больших значениях М (10 и более), практически не существует. В противном случае погрешность измерения может достигать больших значений. Так, например, при α = β =1 Т_и=700К, Т=80 К, Т_о=300 К К_y=100, М=200 значение линейности ΔК _уи и ΔК _уи может достигать более 5%. Если даже ΔК _уи=1,01 (1%), а Δ К _уи=0,95 ) (-5%), то фактическое значение шумовой температуры, определенное из выражения (4), будет равно 150,3 К. Если же не учитывать линейность усиления измерителя (ΔК _уи= ΔК _уи=1), то значение шумовой температуры, определенное из выражения (4 ), будет равно 143 К. При этом погрешность измерения шумовой температуры только из-за неучета линейности усиления измерителя составит не менее 4,8%. Целью изобретения является повышение точности измерения шумовой температуры усилителей, в частности СВЧ и с преобразованием частоты. Заявленный способ измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя основан, как и способ-прототип, на измерении в заданной полосе пропускания уровней Р_о, Р₁ и Р₂ мощности шумового сигнала на выходе измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу, на выходе опорного источника шумового сигнала с шумовой температурой Т на его выходе, выше или ниже температуры окружающей среды Т_о, и на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, соответственно. Поставленная цель достигается тем, что изменяют уровень Р₂ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до достижения его значения Р₂= Р₁, если Р₁>Р_о, или значения Р₂=2Р_о-Р₂ если Р₁<Р, и измеряют значение М
этого изменения. После этого определяют шумовую температуру Т_ш измеряемого усилителя из выражения:
T_ш = (T-T_o)-T_o+ , K, если P₁> P_o, (5) или из выражения:
T_ш = (T_o-T)-T_o+ , K, если P₁< P_o (6) где α,β - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя и опорного источника шумового сигнала соответственно до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн. ед.;
К_y - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн,ед. При этом интервал, в котором с вероятностью 0,95 находится допустимая суммарная относительная погрешность δТ_ш измерения шумовой температуры Тш, определяется из выражения:
δT_ш = ± ×
× , % (7) которое может быть преобразовано к виду:
δT_ш = ± = , %, (7') где δ_α, δ_β, δ_M, δ_Kу, δ_T, δ_Tо-предельное значение погрешности определения величин α/ β/ М/ К_у/ Т/ Т_о соответственно/ %. Так, например, если α = β=1, δ_α = δ_β ,≅1,5%; Т=80 К,δ_T ≅2 %_;Кy=100, δ_Ку,≅25%; Т_ш=170,8 К, М=212,64, δ_M≅2 ,5% значение δ_Тш≅7,4%. Отсюда очевидно, что при прочих равных условиях со способом-прототипом, точность измерения заявленным способом выше, т.к. его суммарная погрешность измерения меньше, чем суммарная погрешность измерения способом-прототипом, за счет исключения погрешности из-за нелинейности измерителя мощности шумового сигнала, составляющей дополнительно 4,8%, а также точного измерения значения М. Таким образом, заявленный способ может быть использован для прецизионного измерения шумовой температуры СВЧ усилителей, в частности с преобразованием частоты в диапазоне входных частот более 78,33 ГГц, в котором отсутствуют опорные источники шумового источника, однако имеются опорные источники шумового сигнала в диапазоне их выходных частот, который ниже 78,33 ГГц. В этом случае, для измерения Т_ш усилителей с преобразованием частоты, используют опорный источник шумового сигнала, аттестованный по шумовой температуре Т на его выходе в рабочем диапазоне выходных частот измеряемого усилителя. Все это исключает необходимость разработки и изготовления сложных, трудоемких и дорогих генераторов шума в диапазоне частот более 78,33 ГГц. Обоснование заявленного способа заключается в следующем. Измеренный в заданной полосе пропускания Δf уровень Р_о мощности шумового сигнала на выходе измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу, равен:
Р₀=К(Т_о+Т_и) К_уи Δf, Вт (8) где К=1,38˙10^-23 Вт/град Гц - постоянная Больцмана;
Т_и,К_уи, 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 P₁ мощности шумового сигнала на выходе опорного источника шумового сигнала с шумовой температурой Т на его выходе, выше или ниже температуры окружающей среды Т_о, равен:
P₁ = K + T_o+ TK_уи·ΔK Δf , Вт (9) где β - вносимое затухание тракта от выхода опорного источника шумового сигнала до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед.;
ΔК_уи - линейность усиления измерителя мощности шумового сигнала по отношению к согласованному входу, отн.ед. Измеренный в заданной полосе пропускания Δf уровень Р₂ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу и аттестованного по коэффициенту усиления К_y, равен:
P₂ = K + T_o+ T K_уи·ΔK Δf , Вт (10) где α - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед.;
ΔК _уи - линейность усиления измерителя мощности шумового сигнала по отношению к согласованному входу. Далее возможны два варианта. Первый, когда Р₁>Р_о, а второй - когда Р₁<Р. По первому варианту изменяют уровень Р₂ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя на величину М до достижения его значения из выражения: Р₂-Р₀=Р₁-Р₀, т.е. Р₂=P₁. При этом выражение (10) преобразуется к виду:
P₂= P₁= K + T_o+ TK_уи ×
× ΔKf = K + T_o+ TK_уи × ΔKf (11)
Отсюда получаем выражение (5) для определения Т_ш. По второму варианту такая операция не выполнима, т.к. даже при введении бесконечно большого затухания М мы можем достичь только значения Р₂=Р₀ (см. выражения (10) и (8), но не менее. Поэтому по второму варианту изменяют уровень Р2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя на величину М до достижения его значения из выражения: Р₂-Р₀=-(Р₁-Р₀)=Р₀-Р₁, т.е. Р₂=2Р₀-Р₁. Этот уровень мощности симметричный уровню Р₁ по отношению к уровню Р₀, при этом отношение уровней Р₂/Р₁, так же, как и отношение уровней Р₀/Р₁, никогда не может быть более 2 при Т_и>Т_о. А при этом линейность усиления ΔK'_уи и Δ К _уи даже самых нелинейных измерителей мощности шумового сигнала, выпускаемых промышленностью, не превышает 0,5-1% , т.е. 1 ≅ ΔК'_уи≅01, а 0,99 ≅ ΔК _уи≅ 1 (при увеличении уровня мощности входного сигнала коэффициента усиления измерителя мощности, как правило, уменьшается, а при уменьшении - увеличивается). При этом выражение для определения Т_ш получаем из упомянутого равенства Р₂-Р₀=Р₀-Р₁, которое имеет вид
+ (T_o+T_и)ΔK-1) = (T_o+T_и)(1-ΔK) -
- (12)
Отсюда путем несложных преобразований получаем выражение для определения Т_ш вида:
T_ш = + (T_o+T_и)[(1-ΔK)-(ΔK-1)] -
- T_o+ · K, (13) которое при ΔК _уи ≈ Δ К _уи≅ |1±1%|, преобразуется к виду (6). По сравнению со способом-прототипом при прочих равных условиях, т.е. α = β =1, Т_и=700 К, Т=80 К, Т_о=300 К, К_y=100, М=200, = = 1,28, а ΔК у_и≅1,005, ΔК _уи≥ 0,995, фактическое значение шумовой температуры, определенное из выражения (14), будет равно 147,4 К. При этом погрешность измерения шумовой температуры из-за неучета линейности усиления измерителя составит не более 3%, т.е. суммарная погрешность не превысит 10,4% (см. выше). Учитывая также, что значение М=200 по заявленному способу определяется по прецизионному измерительному аттенюатору с погрешностью не более 2,5%, а по способу-прототипу - расчетным путем с погрешностью порядка 3,5-5%, то при прочих равных условиях, суммарная погрешность определения Т_ш по способу-прототипу составит порядка 15,5%. На чертеже приведен один из возможных вариантов устройства для осуществления заявленного способа. Предложенный способ измерения шумовой температуры усилителя предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий:
измеряют в заданной полосе пропускания уровень Р₀ мощности шумового сигнала на выходе измерителя мощности шумового сигнала 1, согласованного по входу (ко входу измерителя 1 с установленной полосой пропускания Δf подключен двухуровневый опорный источник шумового сигнала 2, который в выключенном состоянии служит нагрузкой согласованной измерителю 1, по шкале которого измеряют уровень Р₀);
измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания Δf уровень Р₁мощности шумового сигнала на выходе опорного источника шумового сигнала 2 с шумовой температурой Т на его выходе, выше или ниже температуры окружающей среды Т_о (измерителем 1, источник 2 включен);
измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₂мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 3, согласованного по входу при помощи нагрузки согласованной 4 и аттестованного по коэффициенту усиления К_y, который в этом случае подключен к входу измерителя 1 через измерительный аттенюатор 5 и питание которого осуществляется от источника питания 6;
изменяют уровень Р₂ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя (вводят затухание аттенюатора 5) до достижения его значения Р₂=Р₁, если Р₁>Р₀, или значения Р₂=2Р₀-Р₁, если Р₁< Р₀;
измеряют значение М изменения уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя (значение М введенного затухания аттенюатора 5);
определяют эквивалентную шумовую температуру входа измеряемого усилителя из выражения (5) или (6). Предложенный способ целесообразно использовать для прецизионного измерения эквивалентной шумовой температуры входа СВЧ усилителей с преобразованием частоты в рабочем диапазоне входных частот более 78,33 ГГц, а выходных - менее 78,33 ГГц, что исключает необходимость разработки и изготовления в диапазоне частот более 78,33 ГГц прецизионных источников шумового сигнала с шумовой температурой Т на их выходе ниже или выше Т_о, сложных в изготовлении и дорогостоящих.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ путем измерения в заданной полосе пропускания соответственно уровней P₀, P₁ и P₂ мощности шумового сигнала на выходе измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу, на выходе опорного источника шумового сигнала с шумовой температурой Т, выше или ниже температуры окружающей среды Т₀, и на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, изменяют уровень P₂ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до достижения его значения P₂= P₁, если P₁>P₀, или значения P₂ = 2P₀-P₁, если P₁<P, измеряют значение M этого изменения, после чего определяют шумовую температуру Т_ш измеряемого усилителя из выражения:

или из выражения

где α, β - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя и опорного источника шумового сигнала соответственно до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед.;
K_у - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед.

РИСУНКИ

Рисунок 1