Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » Статьи о средствах измерений » Чубанов А.А., "Измерения шумовых характеристик устройств в области сверхвысоких частот"

Измерения шумовых характеристик устройств в области сверхвысоких частот




Чубанов А.А., инженер отдела РТИИ ФБУ "Нижегородский ЦСМ"

 

В данной статье приведен обзор основных групп средств измерений, предназначенных для исследования шумовых характеристик радиотехнических устройств в области сверхвысоких частот (СВЧ), и даны рекомендации по проведению некоторых измерений. Измерение шумовых параметров необходимо для количественной оценки спектральной плотности мощности шума и определения коэффициента шума в узлах и трактах СВЧ оборудования. В качестве датчика калиброванного по мощности сигнала при измерениях шума коэффициента приёмников и усилителей, радиоизлучения планет и звёзд, для измерения перекрёстных помех в системах радиорелейной связи, при проверке работоспособности радиолокационных и связных станций применяют генераторы шума. Наиболее распространёнными генераторами шума в настоящее время являются:

1. Газоразрядный генератор шума (ГГШ). Представляет собой секцию СВЧ тракта, внутри которой расположена часть газоразрядной трубки, наполненной инертным газом. Спектральная плотность мощности шумового радиоизлучения (СПМШ) зависит от давления и рода газа и лежит в пределах 15-20 дБ, имеет непрерывный равномерный спектр до частот порядка 50-60 ГГц.
2. Генератор шума на лавинно-пролётном диоде (ЛПД). Источником шума является дробовой эффект, усиленный флуктуациями коэффициент лавинного умножения носителей заряда противоположных знаков - электронов и дырок. СПМШ такого генератора порядка 30-40 дБ. При генерации равномерного шумового спектра входное сопротивление лавинно-пролётного диода сильно зависит от частоты, поэтому подключение его к СВЧ тракту осуществляется через развязку (аттенюатор). Диапазон частот таких генераторов составляет 0,001-40 ГГц.

3. Диодный генератор шума содержит в качестве основного элемента вакуумный диод, работающий в режиме насыщения. Такой генератор шума имеет равномерный спектр в диапазоне 0,5-1 ГГц; номинальная СПМШ варьируется в диапазоне от 0 до 17 дБ при изменении напряжения накала.

Теперь стоит обозначить непосредственно важность измерения вышеупомянутых характеристик. Информационная емкость канала связи пропорциональна произведению полосы пропускания канала Д/на отношение сигнал-шум по мощности PS/PN. Полоса пропускания канала как правило, прямо пропорциональна (-0,05) несущей частоте, следовательно, чем выше несущая частота, тем выше информационная емкость канала. Можно сделать вывод, что при неизменном соотношении сигнал-шум в СВЧ-диапазоне информационная емкость канала значительно больше, чем в радиодиапазоне.

Коэффициент шума однозначно связан с понятием шумовой температуры (эффективная величина, служащая мерой мощности шумов в радиоприёмных устройствах равная температуре абсолютно чёрного тела или согласованного сопротивления, при которой мощность его теплового шума равна мощности шумов данного устройства. Температура источника оказывает сильное влияние на коэффициент шума. Следовательно, необходимо проводить измерения при стандартной температуре. В России ГОСТ 9249-59 нормальная температура устанавливается равной 20°С (293,15 К). Стандартом IEEE установлена опорная температура 290 К. Источники шума зарубежного производства имеют СМПШ приведенную к данной опорной температуре (выражаемую в дБ). Значит, при расчётах, выполняемых при измерениях СПМШ с использованием таких источников шума требуется приведение опорной температуры к установленной национальным стандартом. В соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерений спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения в диапазоне частот от 0,002 до 178,3 ГГц ГОСТ Р 8.860-2013, для единицы СПМШ используется величина Вт/Гц (1 Вт/Гц = 1 Дж) кв-Т0 = 1,38-10-23 [Дж/К] • 293,15 [К] -= 4,05-10-21 [Вт/Гц]. Настоящее выражение необходимо для представления результатов измерений (получаемых либо в децибелах, либо в относительных единицах кв-Т0) в единице, передаваемой государственным первичным эталоном.

Коэффициент шума устройства показывает, насколько уменьшается отношение сигнал/шум при прохождении сигнала через устройство. Теоретически шум присутствует в каждом каскаде устройства. Большинство реальных усилительных устройств, таких как транзисторы, могут иметь множественные виды шумов: тепловые, дробовые, шумы декомпозиции. Влияние импеданса источника на генерацию этих шумов может иметь очень сложные взаимосвязи (например, при усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители, которые спроектированы так, что наименьший коэффициент шума достигается лишь в определенном диапазоне выходного сопротивления источника сигнала). На результат измерения коэффициента шума влияют согласование источника шума с испытуемым устройством и согласование с ним же измерительного прибора. [1]

В основе большинства измерений коэффициента шума лежит фундаментальная характеристика линейных двухпортовых устройств линейность мощности шума. Мощность шума на выходе устройства линейно зависит от мощности шума на входе или от шумовой температуры источника. Если крутизна этой характеристики и опорная точка известны, может быть найдена выходная мощность, соответствующая входной мощности без шумов. Зная её, можно вычислить коэффициент шума или эффективную шумовую температуру на входе. Один из способов определения крутизны характеристики шума состоит в подаче на ИУ двух различных уровней входного шума и измерении изменения выходной мощности. Источник шума представляет собой устройство, которое может выдать эти два известных уровня шума. [1] Наиболее подходящий источник шума для этих целей ЛПД-генератор шума. Для измерения коэффициента шума, источник должен иметь калиброванные значения СПМШ в требуемых точках.

Практическую значимость шумовых характеристик можно продемонстрировать на примерах элементов тракта анализаторов цепей и анализаторов спектра.

Некоторые модели анализаторов цепей имеют один приёмник для опорного и измерительного каналов, что удешевляет средство измерения, но ограничивает его возможности. В измерениях появляется дополнительная составляющая погрешности, связанная, например, с неидеальной повторяемостью переключателя.

Приёмники можно разделить принципиально на два типа:

- первый тип - детекторный приемник с широкополосным диодным детектированием, его входная полоса частот должна охватывать весь диапазон панорамного изменения частоты зондирующих сигналов; важнейшие преимущества такого детектора и приемника с таким детектором - экономия стоимости, простота реализации и настройки, удобство тестирования устройств с изменением частоты; важнейшие недостатки - относительно высокая мощность после-детекторных шумов вследствие сверх-широкополосности, что сильно ухудшает чувствительность и динамический диапазон приемника, отсутствие в последе-текторном сигнале информации о фазе радиочастотной несущей в додетек-торном сигнале; последний недостаток не позволяет применять этот тип детектирования в так называемых векторных анализаторах цепей, этот тип детектирования применяется в так называемых скалярных анализаторах цепей;

- второй тип - супергетеродинный приемник с постоянной промежуточной частотой (ПЧ), с узкополосным детектированием в тракте ПЧ; такие приемники включают гетеродин, перестраиваемый синхронно с изменением частоты генератора зондирующих сигналов, смеситель и полосовой фильтр в тракте ПЧ (заметим, что в этом приемнике детектора в узком смысле слова вообще нет: после узкополосного фильтра включен АЦП, тракт разветвляется: в одной ветви производится цифровое амплитудное детектирование (корень квадратный из суммы квадратов отсчетов на интервале разрешения), в другой - цифровое фазовое детектирование (арктангенс из отношения средних квадратур); вместо четырех гетеродинов можно использовать один, разветвляя его сигнал на четыре приемника (в структурной схеме АЦ тогда добавятся устройства разветвления, например, три расщепителя или делителя мощности); важнейшие преимущества такого приемника: (а) большой выигрыш в мощности последетектор-ных шумов, за счет чего резко улучшается чувствительность, увеличивается динамический диапазон; (б) сохранение в последетекторном сигнале информации о фазе радиочастотной до-детекторной несущей; (в) улучшение очистки от гармоник и побочных гармонических сигналов в принимаемом сигнале, важнейший недостаток: значительно большая стоимость приемников, в сравнении с детекторными; хотя этот тип приемников, в принципе, можно применять и в векторных анализаторах цепей, и в скалярных анализаторах цепей, последнее не имеет смысла, т. к. к скалярным анализаторам цепей не предъявляются высокие требования по точности, чувствительности и динамическому диапазону, в частности, из-за вынужденного несовершенства калибровки в отсутствие фазовой информации и стремления к удешевлению прибора; часто на выходах приемников устанавливают аналого-цифровые преобразователи и дальнейшая обработка сигналов ведется в цифровом виде. [2] В анализаторах спектра шумовые характеристики, прежде всего, будут играть роль при фильтрации в ПЧ.

Даже в целом детерминированный входной сигнал имеет некоторую случайную составляющую, относительный уровень которой можно оценить отношением сигнал-шум. По мере прохождения сигнала по тракту к его случайной составляющей прибавляются внутренние шумы аппаратуры и отношение сигнал-шум уменьшается; это уменьшение оценивается коэффициентом шума. В результате, на выходе последнего смесителя анализатора спектра мощность сигнала есть сумма мощностей детерминированной части и случайной части. Каждая из этих частей имеет свой спектр мощности. Обычно спектр детерминированной части локализован в некоторой конечной полосе, в то время как спектр случайной части размыт в очень широкой полосе, ограниченной только фильтрующим действием преселектора и предыдущих каскадов преобразования частоты. В анализаторах спектра последовательного действия с дискретной частотной перестройкой при установленной полосе фильтра последнего фильтра ПЧ спектр детерминированной части не искажается, а лишь просматривается с некоторым разрешением, в то время как мощность случайной части уменьшается в тем большей степени, чем уже полоса последнего фильтра ПЧ. В результате, отношение сигнал-шум на выходе фильтра много больше отношения на выходе последнего смесителя. Этот эффект есть ничто иное, как усреднение. [2]

Таким образом, выигрыш в соотношении сигнал-шум и в разрешающей способности можно получить, уменьшая полосу фильтра ПЧ. Правда, в таком случае, резко увеличивается время частотной развертки, а это не только снижает оперативность измерений, но и надолго разносит по времени наблюдение разных участков спектра сигнала.

В заключение, можно отметить флюктуации между истинным и измеренным средними значениями, присутствующие при измерениях шумовых параметров. Шум, в общем, является стохастическим процессом электрических импульсов. Итогом подавляющего большинства измерений является нахождение его усредненного за некий промежуток значения. Реально, усреднение шума проводят в ограниченных временных рамках, против бесконечно большого времени в идеальном случае.

В настоящей статье рассмотрены основные факторы, влияющие на измерение шумовых характеристик радиотехнических устройств наиболее распространенными на сегодняшний день типами СИ. Рассмотрены основные принципы построения генераторов шума, показаны основные отличия моделей работы СИ, даны предложения по оптимизации измерения шумовых характеристик.

Список литературы

1. Основы измерения коэффициента шума в радиочастотном и микроволновом диапазонах: Заметки по применению. - Agilent Technologies, Inc., 2011. - 30 с.

2. Глазов Г. Н.Современные технологии и системы автоматизированного измерения на СВЧ: конспект лекций/Г. Н. Глазов. - «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», 2012. - 246 с.


Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » Статьи о средствах измерений » Чубанов А.А., "Измерения шумовых характеристик устройств в области сверхвысоких частот"