Способ определения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ С ИК ИЗОБРЕТЕН свидетельству(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОЛИТЕЛЯ(57) Использование: изобретение относитсмерению эквивалентной шумовой темпвхода усилителя Сущность изобретенияряют в заданной полосе пропусканиямощности шумового сигнала на выходе СаЕНТДА УСИ я к изературы : изме- уровень согпащ ОПИСАН к авторско) б 661 В 29 26 сованных по входу измеряемого усилителя и самого измерителя мощности шумового сигнала, аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Т и определяют отношение Миизмеренных уровней мощностиПосле этого шумовую температуру Т измеряемого усилителя определяют из выраженияск(Т +Т ) ТТ =" (М)-Т+ -К где К - коэфш К о К УУ Уфициент усиления измеряемого усилителя, относительно.ед.; сс - вносимое затухание тракта от выхода измерителя мощности Шумового сигнала, относительно.ед Т - температура окружающейосреды, К 1 ил.Изобретение относится к области злектроизмерений 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 То (согласовцвают измеряемый усилитель по входу);подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал с шумовой температурой Т ниже или выше То (от опорного источника шумового сигнала);измеряют отношение М уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя;определяют шумовую температуру измеряемого усилителя из выражения;Т =И(Т -Т)ГАЛИ)-Т +ш . о оТ "(Т +Т )о о и,КТ =(Т-Т.)IД(И)-Т +а о оТ "а(Т +Т ). (2)+ , К гпи ТТоесли отношение М определяют посредством двух отсчетов уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя по измерителю мощности шумового сигнала,Тш=М(То-Т)/ ДМ 1)-То+То/Ку,К, при ТТо,Тш=(Т-То)/ДМ)-То+То/ Ку,(4)К, при ТТо,если отношение М измеряют методом по. стоянного 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 а- вносимое загухание тракта от выхода измеряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала; ф- вносимое затухание тракта от выхода опорного источника шума с шумовой температурой Т до входа измеряемого усилителя;5 Ку - коэффициент усиления измеряемого усилителя;Ти - эквивалентная шумовая температура входа измерителя мощности шумового сигнала, К.10 Точность измерения способом постоянного уровня вцше, чем способом двух отсчетов, однако функциональные возможности его уже за счет необходимости использования для измерения значения М прецизион ного измерительного аттенюатора навыходе измеряемого усилителя. Общим недостатком известных способов является ограничение функциональных возможностей - для измерения Тш узкополосных СВЧ-уси лителей, в диапазоне входных частот которых имеются опорные источники шумовых сигналов с шумовой температурой Т ниже или выше температуры окружающей среды То, а также сложность их реализации (поми мо измерителя мощности шумового сигналанеобходимо наличие опорных источников шумового сигнала, а для метода постоянного уровня - еще прецизионных измерительных аттенюаторов).ЗО Способ двух отсчетов обладает большейпогрешностью измерения Тш иэ-за меньшей точности определения значения М по отношению уровней мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, т.к. в З 5 этом случае на точность определения М влияет погрешность измерения этих уровней.Этот недостаток может быть устранен путем использования прецизионных измерителей уровня мощности шумовых сигналов (на пример, измеритель мощности типа МЗ с малошумящим СВЧ-усилителем иэ серии измеряемых на входе). Однако способ двух отсчетов обладает дополнительной погрешностью измерения и, соответственно, огра ниченными функциональными возможностями или сложностью реализации из-за наличия в формулах измерения (1) и (2) члена, равного(То-(То+Ти)/Ку, которым нельзя пренебречь даже при Ку=26 дБ (400 ед) и а"1, 50 если Ти 400000 К. При этом необходимодобиваться, чтобы значение а было близко к 1 (непосредственное подключение измеряемого усилителя к измерителю мощности шумового сигнала, т,к., в противном случае, 55 при Ку=26 дБ и ТИ=40000 К добавка в выражении (1) и (2) будет равна или больше 100 а, что может привести к погрешности измерения до 30и более, Если Ку=(5 10) дБ (однокаскадные СВЧ-усилители), то при той1818978 Поставленная цель достигается тем, чтоизмеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень мощности шумового сигнала на выходе упомянутого измерите ля мощности шумового сигнала, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Ти, при этом определяют отношение М измеренных уровней мощности шумового 10 сигнала, после чего определяют шумовуютемпературу Тш измеряемого усилителя из выражения;а(Т +Т ) Тт -" (и)-т + в , к (5) 15 щ К о К где Ку - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн, еда- вносимое затухание тракта от выхо дэ измеряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн, ед;Т - температура окружающей среды, К. При этом интервал, в котором с вероят костью 0,95 находится допустимая суммарная относительная погрешность дТш измерения шумовой температуры Т, определяется из выражения:где д ц, дКу, дм, дто, дт - предельные значе ния погрешности определения величин а, Ку, М, То, Ти соответственно, .Так, например, если а=100, д 2,53, Ку 20 дБ, дк 2,5, М=З, дм 2,50(: т.=зоо к, ,ы, т; зоо к, д 5, 40 Тш 900 К значение дтш Е 5.Отсюда очевидно, что по точности измерения предложенный способ приближается к известному способу постоянногоуровня 45 (1) при.соответствующей аттестации пО Ти, а, Ку и М, хотя не требует для своего осуществления прецизионного.измерительного аттенюатора.По сравнению со способом-прототипом 50 (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 тем пературу усилителя, При этом заявленный способ проще в реализации, т,к. ке требует для своего осуществления опорного генератора шума с шумовой температурой Т. ниже или выше температуры окружающей среды же 30)ь-ной погрешности (член равен 100) значение Ти должно быть не более (5001000) К, что практически не всегда возможно, А для уменьшения погрешности до за значение Ти должно быть в пределах (50 .100) К, что не реально. А учет значения Ти и а усложняет реализацию способа, т,к. дополнительно требует прецизионного измерения этих величин и учета их в формулах(1) и (г),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. То, а использует обязательно присутствующий при любом методе измерения Тш измеритель мощности шумового сигнала, аттестованный по эквивалентной шумовой температуре входа Ти. 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 Ти 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 С ВЧ-усилителей; т.к. по сравнению с узкополосными опорными генераторами шума с шумовой температурой Т ниже или выше То, измерители мощности шумового сигнала обладают более широким рабочим диапазоном частот(капример: анализатор спектра С 4-60 ( ЬН),0139,6 ГГц), измеритель мощности МЗ - 51 (=0,0217,85 ГГц) и др., для повышения(8) о-К(Т Р м - - Р ,Отсюда и ия получаем ия Тш. Т .5отн.ед реобразовадля определеТ +Тем простогоыражение (5) чувствительности которых (уменьшения собственной эквивалентной шумовой температуры входа) на их входе подключают малошумящий СВЧ-усилитель иэ серии измеряемых),Таким образом, заявленный способ измерения обладает шйрокими функциональными возможностями - для прецизионного измерения Тш 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 То. Обоснование заявленного способа. Измеренный в заданной полосе пропускания й уровень Р 1 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, посредством измерителя мощности шумового сигнала равен: 1) где К=1,38 10 Вт/град, Гц - постоянная Больцмана;Ти, Куи, Ь 5- эквивалентная шумовая температура входа, коэффициент усиления и полоса пропускания измерителя мощности шумового сигнала, К, отн,ед. и Гц соответственно, То - температура окружающей среды, К; Тш, Ку - эквивалентная шумовая температура входа и коэффициент усиления измеряемого усилителя, К и отн,ед. соответственно;а- вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя до входа измерителя мощности шумового сигнала; отн, ед.Измеренный в упомянутой заданной полосе пропускания Ж уровень Ро мощности шумового сигнала на выходе упомянутого измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу, равен: При этом измеренное отношен уровней Р 1/Ро равно: На чертеже приведен один из возможных вариантов устройства для осуществления заявленного способа,Предложенный способ измерения экви 5 валентной шумовой температуры входа усилителя предусматривает выполнение вопределенной последовательности следующих взаимосвязанных действий:измеряют в заданной полосе пропуска 10 ния Ж уровень Р 1 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 1,согласованного по входу (измерителеммощности шумового сигнала 2 с установленной входной полосой пропускания через по 15 стоянный ограничительный аттенюатор 3,для чего источник питания 4 измеряемогоусилителя 1 включен, а к входу измеряемогоусилителя подключена нагрузка согласованная 5);20 измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания Ж уровень Ро мощностишумового сигнала на выходе упомянутогоизмерителя мощности шумового сигнала 2,согласованного по входу и аттестованного25 по эквивалентной шумовой температуревхода Ти (для этого источник питания 4 измеряемого усилителя 1 выключен, при этомограничительный аттенюатор 3 в выключенном состоянии усилителя 1 служит нагруз 30 кой согласованной для измерителя 2);определяют отношение М измеренныхуровней мощности шумового сигнала из выражения (9);определяют эквивалентную шумовую35 температуру входа измеряемого усилителя1 из выражения (5),Согласование по входу измеряемогоусилители и измерителя мощности шумового сигнала может быть достигнуто различ 40 ными путями; путем подключения на их. входе вентиля, моста Ланге или согласованной нагрузки или путем введения глубокойотрицательной обратной связи по первомукаскаду усиления. Возможны и другие тех 45 нические решения.Аттестация измерителя мощности шумового сигнала по эквивалентной шумовойтемпературе входа Ти может быть выполнена одним из известных способов, например50 способом двух отсчетов (1).Учитывая простоту реализации и высокую точность измерения шумовой температуры предложенным способом, егоцелесообразно использовать для измере 5 ния Тш СВЧ-усилителей, в частности широкополосных и не обеспеченных опорнымиисточниками шумового сигнала.При этом отпадает необходимость в изготовлении в большом количестве целого10 1818978 Составитель И,ОчковскийТехред М.Моргентал Корректор М.Петров едактор Заказ 1 Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 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 Формула изобретенияСПОСОБ 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 шу;мового сигнала согласованного по входу реализации и расширением функциональных возможностей способа при одновременном повышении точности измерения Т, оно классифицируется как предложение, не 5 создающее экономии). Для доведения заявленного способа допромышленного использования не требуется доработка существующей измерительной 10 аппаратуры. и аттестованного по эквивалентной ишумовой температуре входа Ти при15 этом определяют отношение М измеренных уровней мощности шумовогосигнала, после чего определяют шумовую температуру Тш измеряемого усилителя из выражения:20 а(Т-Т ) Тт =" (и-)-т + в, к,к о КУгде Ку - коэффициент усиления измеряемого усилителя, относительно ед.;25и - вносимое затухание тракта отвыхода измеряемого усилителя довхода измерителя мощности шумового сигнала, относительно едТо - температура окру;",ающей среды,К.1