Способ определения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя

(гг) ОПИСАНИЕ к авторскому свил ЛЬСТ де измеряемого уду соответственно,мощности шумовогомого усилителя до десли Р Р, или знач1 Оизмеряют значениего определяют шуммого усилите(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ(57) Использование: изобретение относится к измерению шумовой температуры СВЧ-усилителей с преобразованием частоты в диапазоне входных частот более 7833 ГГц, а выходных - менее 7833 ГГц. Существо изобретения: измеряют в заданной полосе пропускания уровни Р, Р и Р мощностиО 1 2шумового 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 и на выхо- о или из вы сли Р Р т входа изника шумоизмерителя ьно.ед. К -усилитеОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИ СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 19) Я 3 (11) 181755 б1) б 001 К 29 36 силителя, согласованного по вхоЗатем изменяют уровень Р2сигнала на выходе измеряеостижения его значения Р =Р2.ения Р =2 Р -Р, если Р Р и2 О 1 1 О М этого изменения, После этовую температуру Т измеряеля из выражения ТафМоТ = - (Т-Т )-Т- К если Р )Рш рК о о К 1 оУТа Моражения Т = - (Т-Т)-Т+ - ,К, еш РК о о КУгде аф - вносимое затухание тракта омеряемого усилителя и опорного источвого сигнала соответственно до входамощности шуювого сигнала, относителкоэффициент усиления измеряемоголя.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 То, подают на вход измеряемого усилителя шумовой сигнал от опорного источника шума с шумовой температурой Т ниже или выше То, 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 входусилителя шумового сигнала с шумовой температурой То 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 Р 1 и Р 2 мощности шумового сигнала на выходе усилителя при подаче на его вход шумовых сигналов с шу,мовой температурой Ть и Т соответственно, после чего измеряют отношением М, равное Р 2, определяют шумовую температуру Тш Ризмеряемого усилителя из выражения; М(Т -Т) Т ь о Т - Т+ -ш а(М) ь К Т-ТТ о о Т - Т+ - ,ш кТЙ 1 Т о Кесли отношение М измеряется методом постоянного уровня(Т -Т) Т -Т +Ш о хиТ -р(Т +Т )К при ТТц Ко 5 10 15 20 25 30 35 40если отношение М измеряется методом двух отсчетов,где аф - 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 Тш, отн.ед.;Ку - коэффициент усилителя измеряемого усилителя на частоте измерения Тш, отн,едЬКуи,Ти - линейность усиления и эквивалентная шумовая температура входа измерителя мощности шумового сигнала на частоте измерения Тш., отн,ед. и К.Способ повторного уровня более точный, чем способ двух отсчетов, за счет более точного измерения отношения М, исключения ЬКуи и отсутствия в формуле измерения Р(Т +Т )КоУ 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 То, 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 шумовойтемпературой Т на выходе ниже или выше То 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 Ро мощности шумового сигнала . на выходе измерителя мощности шумового " сигнала, согласованного по входу;1817556 точника шумового сигнала соответственнодо входа измерителя мощности шумовогосигнала, отн,ед.: Ти - эквивалентная шумовая температу 5 ра входа измерителя мощности шумового сигнала, К; Р -Р г о М = - отн, ед.;Р -Р 1 о(3) о пределяют шумовую температуру измеряемого усилителя из выражения;ауи уМТ-Т ) ЬКо уиш ЬК" фК фТ +Т )МЬК -1)-ЬК -1) - (4) о и уи уи 30 35 Т- Т+ - , Ко КУкоторое при ЬКуи= ЬКуи=1 приводится квиду учитывать линейность усиления измерителя (ЬКуи= ЬК"уи=1), то значение шумовой температуры, определенное иэ выражения (4), будет равно 143 К, При этом погрешность измерения шумовой температуры только изза неучета линейности усиления измерителя составит не менее 4,8. а МТ-Т ) ТТ =, - Т + - , К (4) ш ф К о К Целью изобретения является повышение точности измерения шумовой темпера- туры 40 где а,ф- вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя и опорного ис 1,96 (7)оТ =+. гш ЗР К Та М Т-Т ) о +о +5 +о )+Т о +а М-фК -1) Т о Т , %г г г г г г г г гу ш о а 3 и ку т о о которое может быть преобразовано к виду; ат - + 1 98 аМ) ), %о,а 8 и кут где да, др, дм, дку,дт,дто - пр чение погрешности определ О,Р,М,Ку,Т,То соответственно лей, в частности СВЧ и с пре частоты. едельное знаения величин , %, усилитеобраэованием 1 измеряют в заданной полосе пропускания уровень Р 1 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 То,измеряются в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Рг мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу и аттестованного по коэффициенту усиления Ку,измеряют отношение М разностей измеренных уровней мощности шумового сигнала из выражения: 10 15 20 25 ЬКуи, ЬК"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 (ЬК"уи= =ЬКуи=1), которых, при больших значениях М (10 и более), практически не существует. В противном случае погрешность измерения может достигать больших значений.Так, например, при а = р =1 Ти=700 К, Т=80 К. То=300 К Ку=100, М=200 значение линейности ЬКуи и ЬК"уиможетдостигать более 5;.Если даже ЬК уи=1,01 (1 6), а Ь К"уи=0,95) (-5), то фактическое значение шумовой температуры, определенное иэ выражения (4), будет равно 150,3 К. Если же не Заявленный способ измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя основан, как и способ-прототип, на измерении в заданной полосе пропускания уровней Ро,Р 1 и Р 2 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 То, и на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, соответственно.Поставленная цель достигается тем, что изменяют уровень Р 2 мощности шумового(10) сигнала на выходе измеряемого усилителядо достижения его значения Р 2-Р 1, еслиР 1 Ро, или значения Р 2=2 Ро-Р 2 если Р 1 Ро,и измеряют значение М этого изменения,После этого определяют шумовую температуру Тш измеряемого усилителя из выражения;ТафМоТ = (Т-Т )-Т + - , К.,ш Р К о о К(5) ТТ = (Т -Т)-Т + - , К,ш ффК о о К где ар - вносимое затухание тракта отвыхода измеряемого усилителя и опорногоисточника шумового сигнала соответственно до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.едКу - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн,ед,При этом интервал, в котором с вероятностью 0,95 находится допустимая суммарная относительная погрешность дТшизмерения шумовой температуры Тш, определяется из выражения:Так, например, если а = Р=1, да=дф,1,5%; Т=80 Кдт 2 %; Ку=100,дку,25%;Тш=170,8 К, М=212,64, дм,5% значениедтш 7,4%.Отсюда очевидно, что при прочих равных условиях со способом-прототипом, точность измерения заявленным способомвыше, т.к. его суммарная погрешность измерения меньше, чем суммарная погрешностьизмерения способом-прототипом, за счетисключения йогрешности из-за нелинейности измерителя мощности шумового сигнала, составляющей дополнительно 4,8%, атакже точного измерения значения М.Таким образом, заявленный способ может быть использован для прецизионногоизмерения шумовой температуры СВЧ усилителей, в частности с преобразованием частоты в диапазоне входных частот более78,33 ГГц, в котором отсутствуют опорныеисточники шумового источника, однако имеются опорные источники шумового сигналав диапазоне их выходных частот, которыйниже 78,33 ГГц.В этом случае, для измерения Тш усилителей с преобразованием частоты, используют опорный источник шумового сигнала,аттестованный по шумовой температуре Тн на его выходе в рабочем диапазоне выходных частот измеряемого усилителя. Все это исключает необходимость разработки и изготовления сложных, трудоемких и дорогих 5 генераторов шума в диапазоне частот более78,33 ГГц.Обоснование заявленного способа заключается в следующем.Измеренный в заданной полосе пропу скания Ю уровень Ро мощности шумовогосигнала на выходе измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу, равен;Р 0=К(Ту+Ти) Куи Ф Вт (8) 15 где К=1,38 10 Втград Гц - постоянная.Бал ьцмана;Ти, Куи, Ю - эквивалентная шумовая температура входа, коэффициент усиления и полоса пропускания измерителя мощности 20 шумового сигнала, К, отн,ед, и Гц соответственно.Измеренный в заданной полосе пропускания Ж уровень Р 1 мощности шумового сигнала на выходе опорного источника шу мового сигнала с шумовой температурой Тна его выходе, выше или ниже температуры окружающей среды То, равен: Т - Т30 Р =К +Т+Т К ЬК ЬГ, Вт1ф о и уи уи(9) где Р - вносимое затухание тракта от выхода опорного источника шумового сигнала до 35 входа измерителя мощности шумового сигнала, отн.ед.;ЬКуи - линейность усиления измерителя мощности шумового сигнала по отношению к согласованному входу, отн.ед.40 Измеренный в заданной полосе пропускания Ж уровень Р 2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу и аттестованного по коэффициенту усиления Ку, равен: 45+ Т К ЬК" ЬГ , Вт50и уи уи где а- вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя до входа измери теля мощности шумового сигнала, отн,ед.;ЬК"уи - линейность усиления измерителя мощности шумового сигнала.по отноше-нию к согласованному входу,Далее возможны два варианта.1817550 Первый, когда Р 1 Ро, а второй - когда Р 1 РоПо первому варианту изменяют уровень Р 2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя на величину М до достиг(ения его значения из выражения: Р 2-Ро=Р 1-Ро, т.е. Р 2=Р 1. При этом выражение (10) преобразуется к виду: Отсюда путем несложных преобразований получаем выражение для определения Тш вида: 5 ,м Л -т)ькт = амш К ЬКорУ уи10 о и, ) (ЬК - 1)- (13)15 которое при К"уиКуи 11 преобразуется к виду (6).По сравнению со способом-прототипом при прочих равных условиях, т.е. а=Р =1, Ти=700 К, Т=80 К, То=300 К, Ку=100, М=200,Т-Т= к + т+ танк ьк дг Р о и/ уи уи Р Т+Т о и о- 1,28 Р Т+Т 1 иПредложенный способ измерения шумовой температуры усилителя предусматривает выполнение в определеннойТ -Т )К -Т ЗфЬК" 50 последовательности следующих взаимосвязанных действий:а Мизмеряют в заданной полосе пропускания уровень Ро мощности шумового сигнала Ф(Т +Т )ЬКф 1): Ц +т )(1 ЬКф ) (12) на выходе измерителя мощности шумовогоо и уи о и Уи 55 сигнала 1, согласованного по входу(ко входуизмерителя 1 с установленной полосой пропускания Ю подключен двухуровневыйо уиопорный источник шумового сигнала 2, ко 8торый в выключенном состоянии служит нао в у о уи(Т-Т )ЬК Отсюда получаем выражение (5) для оп ределения Тш.По второму варианту такая операция не выполнима, т.к. даже при введении бесконечно большого затухания М мы можем достичь тол ько значения Р 2=Ро (см. 25 выражения (10) и (8), но не менее. Поэтому по второму варианту изменяют уровень Р 2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя на величину М до достижения его значения иэ выражения: 30 Р 2-Ро=(Р 1-Ро)=Ро-Р 1, т,е, Р 2=2 Ро-Р 1. Этот уровень мощности симметричный уровню Р 1 по отношению к уровню Ро, при этом отношение уровней Р 2/Р 1, так же, как и отношение уровней Ро Р 1, никогда не мо жет быть более 2 при ТиТо, А при этом линейность усиления ЬК уи и Ь К"уи даже самых нелинейных измерителей мощности шумового сигнала, выпускаемых промышленностью, не превышает 0,5.1 о , 40 т.е. 1ЬКуи 01, а 0,99 :- ЬК,иБ 1,(при увеличении уровня мощности входного сигнала коэффициента усиления измерителя мощности, как правило, уменьшается, а при уменьшении - увеличивается), 45При этом выражение для определения Тш получаем из упомянутого равенства Р 2- РО Ро-Р 1, которое имеет вид а ЬКуи 1,005, ЬКуи 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 Тш по способу-прототипу составит порядка 15,5.На чертеже приведен один из возможных вариантов устройства для осуществления заявленного способа.1817556 12 грузкой согласованной измерителю 1, по шкале которого измеряют уровень Ро);измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания М уровень Р 1 мощности шумового сигнала на выходе опорного ис точника шумового сигнала 2 с шумовой температурой Т на его выходе, выше или ниже температуры окружающей среды То (измерителем 1, источник 2 включен);измеряют в упомянутой заданной поло се пропускания уровень Р 2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 3, согласованного по входу при помощи нагрузки согласованной 4 и аттестованного по коэффициенту усиления Ку, 15 который в этом случае подключен к входу измерителя 1 через измерительный аттенюатор 5 и питание которого осуществляется от источника питания 6;изменяют уровень Р 2 мощности шумо вого сигнала на выходе измеряемого усилителя (вводят затухание аттенюатора 5) до Формула изобретения25,СПОСОб ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ путем измерения взаданной полосе пропускания соответственно уровней Ро, Р 1 и Р 2 мощности 30 шумового сигнала на выходе измерителя мощности шумового сигнала, согласованного по входу, на выходе опорного источника шумового сигнала с шумовой температурой Т, выше или ни же температуры окружающей среды То, и на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, изменяют уровень Р 2 мощ ности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя до достижения его значения Р 2=Р 1, если Р 1 Ро, или значедостижения его значения Р 2=Р 1. если Р 1 Ро, или значения Р 2=2 Ро-Р 1, если Р 1 Ро;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 иэ 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 То, сложных в изготовлении и дорогостоящих,ния Р 2 = 2 РО-Р 1, если Р 1 Ро, измеряет . значение Мэтого изменения, после чего определяют шумовую температуру Тш измеряемого усилителя из выражения:афщТ =(Т-Т )-Т + - , К, если РРР К К ф фЭили из выраженияТа ш оТ = - (Т -Т)-Т + - , К, если РР , ы ЗфК о о К3 огде а, Р - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого усилителя и опорного . источника шумового сигнала соответственно до входа измерителя мощности шумового сигнала, отн,едКу - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед.