Способ определения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя

 

Использование: изобретение относится к измерению шумовой температуры СВЧ-усилителей с одновременным повышением точности измерения. Существо изобретения: измеряют в заданной полосе пропускания уровни P₁ и P₂ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя при согласованном входе и при подаче на его вход шумового сигнала с выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа T_a соответственно, и уровни P₃ и P₄ мощности шумового сигнала на выходе упомянутого опорного усилителя при согласованном входе и при подаче на его вход шумового сигнала с выхода измеряемого усилителя, согласованного по входу, соответственно. При этом определяют отношение А шумовую температуру T_ш измеряемого усилителя определяют из выражения где α,β,γ,L - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого и опорного усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, от выхода опорного до входа измеряемого усилителя и от выхода измеряемого до входа опорного усилителя соответственно, относительно.ед.: K_у - коэффициент усиления измеряемого усилителя, 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 сверхширокополосных в диапазонах частот, не обеспеченных опорными источниками шумового сигнала. Известен способ постоянного уровня измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя, который предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий: измеряют в заданной полосе пропускания уровень Р₁ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу; измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₂мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, на вход которого подают шумовой сигнал с выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Т_а и коэффициенту усиления К_уа; вводят затуханием М мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до достижения его уровня, равного измеренному значению Р₁; измеряют значение М введенного затухания; определяют шумовую температуру Т_ш измеряемого усилителя из выражения: T_ш T_o+ K. (1) Известен способ двух отсчетов (прототип) измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя, который предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий; измеряют в заданной полосе пропускания уровень Р₁ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу; измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₂мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, на вход которого подают шумовой сигнал с выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Т_а и коэффициенту усиления К_уа;
измеряют отношение М уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя из выражения:
M отн.ед. определяют шумовую температуру Т_ш измеряемого усилителя из выражения
T_ш T_o+ K (2)
В выражениях (1) и (2) приняты следующие условные обозначения:
α, β вносимое затухание тракта от выхода опорного до входа измеряемого усилителя и от выхода последнего до входа измерителя мощности шумового сигнала соответственно, отн.ед;
К_у коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн. ед. Т_и эквивалентная шумовая температура входа измерителя мощности шумового сигнала, К;
Т_о температура окружающей среды, К. Точность измерения способом постоянного уровня выше, чем способом двух отсчетов, однако область его использования уже за счет необходимости использования прецизионных измерительных аттенюаторов на выходе измеряемого усилителя, которые, к тому же, еще узкополосные. Способ двух отсчетов может быть использован для измерения шумовой температуры даже сверхширокополосных СВЧ-усилителей как без, так и с преобразованием частоты, например в диапазоне 0,5 18 ГГц, т.к. при наличии широкополосных измерителей мощности шумового сигнала (С 60 и др.), в качестве аттестованного опорного усилителя может быть использован один из серии измеряемых усилителей. При этом проаттестовать его можно от ряда узкополосных низкотемпературных (Т<Т) или высокотемпературных (Т>Т_о) источников шумового сигнала. Более того, аттестованный опорный усилитель может быть не только без преобразования частоты, но и с преобразованием частоты, что еще более расширяет область использования известного способа двух отсчетов. Однако этот способ обладает большей погрешностью измерениях Т_ш из-за наличия в формуле измерения (2) члена, равного которым нельзя пренебречь даже при К_у=26 дБ (400 ед) и β1, 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), т. к. в противном случае, при К_у=26 дБ и Т_и=40000 К "добавка" в выражении (2) будет равна или больше 100. А это может привести к погрешности измерения до 30% и более. Если же К_у=(5 10) дБ (однокаскадные СВЧ-усилители), то, при той же 30%-й погрешности (член равен 100 В), значение Т_и измерителя 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. Если же учитывать значение Т_и, то это усложняет реализацию способа двух отсчетов, т.к. потребует дополнительных измерительных установок для измерения Т_и и К_у, а также в связи с изменением К_у от одного измеряемого усилителя к другому, постоянного расчета упомянутого члена и учета его в формуле измерения. Более того, сложность реализации способа двух отсчетов, как и способа постоянного уровня, заключается в необходимости измерения и учета в формуле измерения Т_ш коэффициента усиления К_уа опорного усилителя, т.к. требует дополнительной установки для измерения К_уа. 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 упрощение реализации способа при одновременном повышении точности измерения. Заявленный способ измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя основан, как и способ-прототип, на измерении в заданной полосе пропускания уровней Р₁ и Р₂ мощности шумового сигнала на его выходе при согласованном входе и при подаче на его вход шумового сигнала с выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Т_а, соответственно. Поставленная цель достигается тем, что измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровни Р₃ и Р₄ мощности шумового сигнала на выходе упомянутого опорного усилителя при согласованном входе и при подаче на его вход шумового сигнала с выхода измеряемого усилителя, согласованного по входу, соответственно. При этом измеряют отношение М разностей измеренных уровней мощности шумового сигнала Р₄-Р₃ к Р₂-Р₁, после чего определяют шумовую температуру Т_ш измеряемого усилителя из выражения:
T_ш (T_o+T_а)-T_o+ K (3) где α,β,γ,L вносимое затухание тракта от выхода измеряемого и опорного усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, от выхода опорного до входа измеряемого усилителя и от выхода измеряемого до входа опорного усилителя соответственно, отн. ед. К_у коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед. Т_о температура окружающей среды, К. Так как Т_о ≈ 293 К, то уже при К_у ≥ 200 членом Т_о/К_у можно пренебречь. Интервал, в котором с вероятностью 0,95 находится допустимая суммарная относительная погрешность δТ_ш измерения шумовой температуры усилителя, определя- ется из выражения:
= ±
где K 1 отн. ед;
δ_К, δ_М, δ_Та, δ_То предельные значения погрешности определения величин К, М, Т_а, Т_о соответственно,
Так, например, при К=1, δ_K ≅ 2,5% Т_а=300 К, δ_Та ≅ 5% Т_о=300 К, δ_То ≅1% К_у=10⁵, Т_ш=900 К, М=2, δ_М ≅ 2,5% значение δ_Тш ≅3,8%
Из приведенного расчета очевидно, что по точности измерения заявленный способ находится на уровне известного способа постоянного уровня. Однако заявленный способ проще в реализации не только известного способа постоянного уровня, но и способа-прототипа двух отсчетов, т.к. в нем исключена необходимость измерения и учета в формуле измерения Т_шкоэффициента усиления К_уа опорного усилителя, а также, по сравнению со способом-прототипом, в формуле измерения отсутствует член что исключает необходимость использования дополнительных измерительных установок для измерения К_уа, К_у, Т_и и учета этих параметров в формуле измерения Т_ш. Более того, в перспективе открывается возможность разработки и использования в производственном выпуске СВЧ-усилителей с К_у ≥23 дБ высокоточных и высокопроизводительных малогабаритных измери- тельных установок типа "да", т.е. усилитель "годен", или "нет", т.е. усилитель "не годен", использующих в качестве опорного усилителя эталонный СВЧ-усилитель, Т_а которого равна максимально допустимой шумовой температуре измеряемых усилителей. В этом случае, при K (что практически легко осуществимо, см. ниже), формула сравнения имеет вид:
M (отн.ед). (5)
Таким образом, если М=1, то Т_ш=Т_а (усилитель на пределе годности). Если М>1, то Т_ш>Т_а (брак), а если М<1, то Т_ш<Т, т.е. СВЧ- усилитель годен к эксплуатации. Обоснование заявляемого способа заключается в следующем. Измеренный в заданной полосе пропускания Δf уровень P₁ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, равен:
P₁=K + T_o+TK_уиΔf, (Вт) (6) где K=1,38 x 10^-23 Вт/град. Гц постоянная Больцмана;
К_уи, Δf коэффициент усиления и полоса пропускания измерителя мощности шумового сигнала, отн. ед. и Гц соответ- ственно. Измеренный в упомянутой заданной полосе пропускания Δf уровень Р₂мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя при подаче на его вход шумового сигнала с выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Т_аравен:
P₂=K + T_o+T K_уи Δf, (Вт)
(7)
где K_уа -коэффициент усиления опорного усилителя, отн.ед. Измеренный в упомянутой заданной полосе пропускания Δf уровень Р₃мощности шумового сигнала на выходе упомянутого опорного усилителя, согласованного по входу, равен:
P₃=K + T_o+TK_уи Δf, (Вт). (8)
Измеренный в упомянутой заданной полосе пропускания Δf уровень P₄мощности шумового сигнала на выходе упомянутого опорного усилителя при подаче на его вход шумового сигнала с выхода измеряемого усилителя, согласованного по входу, равен:
P₄=K+ T_o+T K_уи Δf, (Вт) (9)
Используя зависимости (6) (9), определяют отношение М из следующего выражения:
M (отн.ед.) (10)
Из выражения (10) путем простых преобразований, получаем формулу для определения Т_ш
T_ш T_o+T T_o+ (K), (11) которая, при выборе опорного усилителя с К_уа ≥23 дБ (200), преобразуется к виду (3). 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 уровень Р₁ мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 1, согласованного по входу (по измерителю мощности шумового сигнала 2, настроенного на полосу пропускания Δf, при этом СВЧ-переключатели 3 и 6 устанавливают в положение 1, в котором выход измеряемого усилителя 1 подключен ко входу измерителя 2, а выход опорного усилителя 4 к ограничительному аттенюатору 5, вход измеряемого усилителя 1 подключен к выходу нагрузки согласованной (НС) 7, а вход опорного усилителя 4 к ограничительному аттенюатору 5;
измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₂мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 1, на вход которого подают шумовой сигнал с выхода опорного усилителя 4, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Т_а (через ограничительный аттенюатор 5, при этом СВЧ-переключатель 3 остается в установленном положении I, а СВЧ-переключатель 6 устанавливают в положение II, в котором вход опорного усилителя 4 подключен к выходу НС 7, а вход измеряемого усилителя 1 подключен к ограничительному аттенюатору 5);
измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₃мощности шумового сигнала на выходе опорного усилителя 4, согласованного по входу (при этом СВЧ-переключатель 6 остается в установленном положении II, а СВЧ-переключатель 3 также устанавливают в положении II, в котором к измерителю 2 подключен выход опорного усилителя 4, а выход измеряемого усилителя 1 подключен к ограничительному аттенюатору 5);
измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р₄мощности шумового сигнала на выходе опорного усилителя 4, на вход которого подают шумовой сигнал с выхода измеряемого усилителя, согласованного по входу (через ограничительный аттенюатор 5, при этом СВЧ-переключатель 3 остается в установленном положении II, а СВЧ-переключатель 6 устанавливают в положение I);
определяют отношение М из выражения (10):
определяют шумовую температуру измеряемого усилителя 1 из выражения (3). Как видно из приведенного чертежа структурной схемы установки измерения Т_ш усилителя, вносимое затухание тракта от выхода измеряемого 1 до входа опорного усилителя 4 (L) и от выхода опорного 4 до входа измеряемого усилителя 1 (γ) легко сделать одинаковым, т.е. γ=L, т.к. они имеют общий ограничительный аттенюатор 5 и одинаковые входные и выходные разъемы, при идентичном затухании плеч СВЧ-переключателей. Также легко обеспечить равенство вносимых затуханий тракта от выхода измеряемого 1 и опорного 4 усилителя до ввода измерителя мощности 2 (α=β). При этом настройка устройства на значение K 1 не представляет труда. Поэтому предложенный способ целесообразно использовать для простого прецизионного и высокопроизводительного измерения шумовой температуры СВЧ-усилителей в режиме "да нет", т.е. Т_ш меньше или больше шумовой температуры Т_а эталонного опорного усилителя, в соответствии с выражением (5), при настройке и испытаниях СВЧ-усилителей в процессе их производства, особенно широкополосных и не обеспеченных опорными генераторами шума. При этом отпадает необходимость в разработке и изготовлении целого ряда очень сложных и дорогостоящих широкополосных опорных генераторов шума, а также изготовления большого количества целого ряда обычных узкополосных рабочих генераторов шума (достаточно иметь в стране небольшое количество эталонных генераторов шума для аттестации опорных СВЧ-усилителей), что сэкономит стране миллионы рублей. Высокая производительность установки для осуществления способа, работающей в режиме "да нет", особенно при управлении и обработке данных от ЭВМ, а также ее малые габариты, обеспечат значительное увеличение объема выпуска СВЧ-усилителей при одновременном уменьшении производственных площадей. В соответствии с изложенным, заявленный способ имеет большое народнохозяйственное значение и может быть рекомендован для использования на предприятиях отрасли.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ путем измерения в заданной полосе пропускания соответственно уровней P₁ и P₂ мощности шумового сигнала на его выходе при согласованном входе и при подаче на его вход шумового сигнала с выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа T_а, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации способа при одновременном повышении точности измерения, измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровня P₃ и P₄ мощности шумового сигнала на выходе упомянутого опорного усилителя при согласованном входе и при подаче на его вход шумового сигнала с выхода измеряемого усилителя, согласованного по входу, соответственно, при этом определяют отношение М разностей измеренных уровней мощности шумового сигнала P₄ P₃ и P₂ P₁, шумовую температуру T_ш измеряемого усилителя определяют из выражения

где α,β,ν,L вносимое затухание тракта от выхода измеряемого и опорного усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, от выхода опорного до входа измеряемого усилителя и от выхода измеряемого до входа опорного усилителя соответственно, относительно ед. K_у коэффициент усиления измеряемого усилителя, относительно ед. T₀ температура окружающей среды, К.

РИСУНКИ

Рисунок 1