Способ определения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя

 

Использование: изобретение относится к измерению эквивалентной шумовой температуры входа усилителя. Сущность изобретения: измеряют в заданной полосе пропускания уровень мощности шумового сигнала на выходе согласованных по входу измеряемого усилителя и самого измерителя мощности шумового сигнала, аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа T_и и определяют отношение М измеренных уровней мощности.После этого шумовую температуру T_ш измеряемого усилителя определяют из выражения где K_у - коэффициент усиления измеряемого усилителя, относительно.ед.: α - вносимое затухание тракта от выхода измерителя мощности шумового сигнала, относительно.ед.: T_o - температура окружающей среды, К. 1 ил.

Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано для измерения шумовой температуры СВЧ-усилителей, в частности широкополосных и в диапазонах частот, не обеспеченных опорными источниками шумового сигнала. Известны способ двух отсчетов и способ постоянного уровня измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя, которые предусматривают выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий: подают на входе измеряемого усилителя шумовой сигнал с шумовой температурой окружающей среды Т_о (согласовывают измеряемый усилитель по входу); подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал с шумовой температурой Т ниже или выше Т_о (от опорного источника шумового сигнала); измеряют отношение М уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя; определяют шумовую температуру измеряемого усилителя из выражения: T<T (1) и T>T_o (2) если отношение М определяют посредством двух отсчетов уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя по измерителю мощности шумового сигнала, Т_ш=М(Т_о-Т)/ β(М-1)-Т_о+Т_о/К_у, (3) К, при Т<Т,
Т_ш=(Т-Т_о)/ β(М-1)-Т_о+Т_о/К_у
(4)
К, при Т>Т_о 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 измерителю мощности шумового сигнала, где α вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала;
β вносимое затухание тракта от выхода опорного источника шума с шумовой температурой Т до входа измеряемого усилителя;
К_у коэффициент усиления измеряемого усилителя;
Т_и эквивалентная шумовая температура входа измерителя мощности шумового сигнала, К. Точность измерения способом постоянного уровня выше, чем способом двух отсчетов, однако функциональные возможности его уже за счет необходимости использования для измерения значения М прецизионного измерительного аттенюатора на выходе измеряемого усилителя. Общим недостатком известных способов является ограничение функциональных возможностей для измерения Т_ш узкополосных СВЧ-усилителей, в диапазоне входных частот которых имеются опорные источники шумовых сигналов с шумовой температурой Т ниже или выше температуры окружающей среды Т_о, а также сложность их реализации (помимо измерителя мощности шумового сигнала необходимо наличие опорных источников шумового сигнала, а для метода постоянного уровня еще прецизионных измерительных аттенюаторов). Способ двух отсчетов обладает большей погрешностью измерения Т_шиз-за меньшей точности определения значения М по отношению уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, т.к. в этом случае на точность определения М влияет погрешность измерения этих уровней. Этот недостаток может быть устранен путем использования прецизионных измерителей уровня мощности шумовых сигналов (например, измеритель мощности типа МЗ-51 с малошумящим СВЧ-усилителем из серии измеряемых на входе). Однако способ двух отсчетов обладает дополнительной погрешностью измерения и, соответственно, ограниченными функциональными возможнос- тями или сложностью реализации из-за наличия в формулах измерения (1) и (2) члена, равного [T_o-(T_o+T_и]/К_у, которым нельзя пренебречь даже при К_у=26 дБ (400 ед) и α=1, если Т_и≥ 400000 К. При этом необходимо добиваться, чтобы значение α было близко к 1 (непосредственное подключение измеряемого усилителя к измерителю мощности шумового сигнала, т.к. в противном случае, при К_у=26 дБ и Т_и=40000 К добавка в выражении (1) и (2) будет равна или больше 100 α, что может привести к погрешности измерения до 30% и более. Если К_у=(5 10) дБ (однокаскадные СВЧ-усилители), то при той же 30%-ной погрешности (член равен 100) значение Т_и должно быть не более (500 1000) К, что практически не всегда возможно. А для уменьшения погрешности до 3% значение Т_и должно быть в пределах (50 100) К, что не реально. А учет значения Т_и и α усложняет реализацию способа, т.к. дополнительно требует прецизионного измерения этих величин и учета их в формулах (1) и (2). Способ двух отсчетов наиболее близкий к заявляемому по своей технической сущности, поэтому он принят в качестве способа-прототипа. Целью изобретения является упрощение реализации и расширение функциональных возможностей способа измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя при одновременном повышении точности измерения. Заявленный способ измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя основан, как и способ-прототип, на измерении в заданной полосе пропускания уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу посредством измерителя мощности шумового сигнала. Поставленная цель достигается тем, что измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень мощности шумового сигнала на выходе упомянутого измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Т_и, при этом определяют отношение М измеренных уровней мощности шумового сигнала, после чего определяют шумовую температуру Т_ш измеряемого усилителя из выражения:
T_ш (M-1)-T_o+ K, (5) где К_у коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн. ед. α вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн. ед;
Т_о температура окружающей среды, К. При этом интервал, в котором с вероятностью 0,95 находится допустимая суммарная относительная погрешность δТ_ш измерения шумовой температуры Т_ш, определяется из выражения:
= ±
где δ_α, δК_у, δ_М, , предельные значения погрешности определения величин α, К_у, М, Т_о, Т_и соответственно,
Так, например, если α=100, δ≅2,5% К_у=20 дБ=100, 2,5% М=3, δ_M≅ 2,5% Т_о=300 К, 1% T_и= 300 К, 5% Т_ш=900 К значение 5%
Отсюда очевидно, что по точности измерения предложенный способ приближается к известному способу постоянного уровня (1) при соответствующей аттестации по Т_и, α, К_у и М, хотя не требует для своего осуществления прецизионного измерительного аттенюатора. По сравнению со способом-прототипом (1) заявленный способ обладает более высокой точностью измерения за счет меньшего количества измеряемых параметров в формуле (5) по сравнению с выражениями (1) и (2), косвенно определяющих шумовую температуру усилителя. При этом заявленный способ проще в реализации, т.к. не требует для своего осуществления опорного генератора шума с шумовой температурой Т ниже или выше температуры окружающей среды Т_о, а использует обязательно присутствующий при любом методе измерения Т_ш измеритель мощности шумового сигнала, аттестованный по эквивалентной шумовой температуре входа Т_и. Более того, использование заявленного способа позволит в будущем исключить из употребления огромное количество рабочих опорных генераторов шума, оставив только эталонные экземпляры для аттестации и поверки по Т_и измерителей мощности шумового сигнала, что сэкономит стране миллионы рублей. По сравнению со способом-прототипом заявленный способ обладает также более широкими функциональными возможностями для измерения шумовой температуры сверхширокополосных СВЧ-усилителей, т.к. по сравнению с узкополосными опорными генераторами шума с шумовой температурой Т ниже или выше Т_о, измерители мощности шумового сигнала обладают более широким рабочим диапазоном частот (например: анализатор спектра С4-60 ( Δf=0,01 39,6 ГГц), измеритель мощности МЗ-51 (Δf= 0,02 17,85 ГГц) и др. для повышения чувствительности которых (уменьшения собственной эквивалентной шумовой температуры входа) на их входе подключают малошумящий СВЧ-усилитель из серии измеряемых). Таким образом, заявленный способ измерения обладает широкими функциональными возможностями для прецизионного измерения Т_ш не только узкополосных, но и сверхширокополосных СВЧ-усилителей с преобразованием и без преобразования частоты, при этом способ прост в реализации, т.к. не требует для своего осуществления рабочих опорных генераторов шума с шумовой температурой Т на выходе ниже или выше температуры окружающей среды Т_о. Обоснование заявленного способа. Измеренный в заданной полосе пропускания Δf уровень Р₁ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, посредством измерителя мощности шумового сигнала равен:
P₁= K + T_o+TK_уиΔf, Вт (7) 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. Т_о температура окружающей среды, К;
Т_ш, К_у эквивалентная шумовая температура входа и коэффициент усиления измеряемого усилителя, К и отн.ед. соответственно;
α вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн. ед. Измеренный в упомянутой заданной полосе пропускания Δf уровень Р_омощности шумового сигнала на выходе упомянутого измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу, равен:
Р_о=К(Т_о+Т_и)К_уи Δf, Вт (8)
При этом измеренное отношение М уровней Р₁/Р_о равно:
M отн.ед (9)
Отсюда путем простого преобразования получаем выражение (5) 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 (измерителем мощности шумового сигнала 2 с установленной входной полосой пропускания через постоянный ограничительный аттенюатор 3, для чего источник питания 4 измеряемого усилителя 1 включен, а к входу измеряемого усилителя подключена нагрузка согласованная 5);
измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания Δf уровень Р_омощности шумового сигнала на выходе упомянутого измерителя мощности шумового сигнала 2, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Т_и (для этого источник питания 4 измеряемого усилителя 1 выключен, при этом ограничительный аттенюатор 3 в выключенном состоянии усилителя 1 служит нагрузкой, согласованной для измерителя 2);
определяют отношение М измеренных уровней мощности шумового сигнала из выражения (9);
определяют эквивалентную шумовую температуру входа измеряемого усилителя 1 из выражения (5). Согласование по входу измеряемого усилители и измерителя мощности шумового сигнала может быть достигнуто различными путями: путем подключения на их входе вентиля, моста Ланге или согласованной нагрузки или путем введения глубокой отрицательной обратной связи по первому каскаду усиления. Возможны и другие технические решения. Аттестация измерителя мощности шумового сигнала по эквивалентной шумовой температуре входа Т_и может быть выполнена одним из известных способов, например способом двух отсчетов (1). Учитывая простоту реализации и высокую точность измерения шумовой температуры предложенным способом, его целесообразно использовать для измерения Т_ш СВЧ-усилителей, в частности широкополосных и не обеспеченных опорными источниками шумового сигнала. При этом отпадает необходимость в изготовлении в большом количестве целого ряда рабочих опорных генераторов шума, в частности разработки широкополосных генераторов шума, что сэкономит миллионы рублей. Суммарный экономический эффект, который может быть получен при максимальном объеме использования изобретения, не поддается расчету из-за отсутствия базы сравнения (в соответствии с достигнутым положительным эффектом упрощением реализации и расширением функциональных возможностей способа при одновременном повышении точности измерения Т_ш, оно классифицируется как предложение, не создающее экономии). Для доведения заявленного способа до промышленного использования не требуется доработка существующей измерительной аппаратуры.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ, основанный на измерении в заданной полосе пропускания уровня мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, посредством измерителя мощности шумового сигнала, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации и расширения функциональных возможностей способа при одновременном повышении точности измерения, измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень мощности шумового сигнала на выходе упомянутого измерителя мощности шумового сигнала согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной и шумовой температуре входа Т_и, при этом определяют отношение М измеренных уровней мощности шумового сигнала, после чего определяют шумовую температуру Т_ш измеряемого усилителя из выражения:

где K_у коэффициент усиления измеряемого усилителя, относительно ед. α вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, относительно ед. Т₀ температура окружающей среды, К.

РИСУНКИ

Рисунок 1