Способ определения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя

) б ОО 1 й 29 2 б з)Л СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР щ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К ЗВТОРС свидетельетву умового сигнала на выход усилителя при согпасованче на его вход шумовог ряемого усилителя, согласоответственно. При этомР -РМ =, , . А шумовуюд э мощности упомянутого опорногоном входе и при подсигнала с выхода измсованного по входу,еделяют отношен измеряезмерителя а опорноот выхоусилителя коэффия, относией среды,(21) 491 0901/21(56) Авторское свидетельство СССР М 1561690, кп. О 01 Й 29/26, 1990.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ(57) Использование; изобретение относится к измерению шумовой температуры СВЧ-усилителей с одновременным повышением точности измерения, Существо изобретения: измеряют в заданной полосе пропускания уровни .Р и Р мощ 2 ности 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 Т соответственно, и уровниа температуру Т измеряемого усилителя опредеШляют из выражения Д 1 МоТ = (Т+Т)-Т+ - , (К), гдеш ск3 о а о Квносимое затухание тракта от выходамого и опорного усилителя до входа имощности шумового сигнала, от выходго до входа измеряемого усилителя ида измеряемого до входа опорногосоответственно, относительно.ед.: Кциент усиления измеряемого усилителтельно.ед.: Т - температура окружающоИзобретение относится к области электроизмерекий и может быть использовако для измерения шумовой температуры СВЧ- усилителей, в частности сверхширокополосных в диапазонах частот, ке обеспеченных 5 опорными источниками шумового сигнала,Известен способ постоянного уровня измерения эквиваленткой шумовой температуры входа усилителя, который предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий:измеряют в заданной полосе пропускания уровня Р 1 мощности шумового сигнала ка выходе измеряемого усилителя, согласо ванного по входу;измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р 2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, на вход которого подают шумо вой сигнал с выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Та и коэффициенту усиления Куавводят затухание, М мощности шумо ваго сигнала на выходе измеряемого усилителя до достижения его уровня, равного измеренному значению Р 1;измеряют значение М введенного затухания; 30определяют шумовую температуру Тш измеряемого усилителя из выражения;Т Т+ К, 35о, (1) Известен способ двух отсчетов (про тип) измерения эквивалентной шумов температуры входа усилителя, который и дусматривает выполнение в определенн последовательности следующих взаимосвязанных действий;измеряют в заданной полосе пропускакия уровня Р 1 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, согласованного по входу;измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Р 2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя, на вход которого подают шумо вой сигнал с выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Та и коэффициенту усиления Ку,измеряют отношение М уровней мощ ности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя из выражения: тоойреой 40 а.И = - отн.едр Фопределяют шумовую температуру Тшизмеряемого усилителя из выражения 2) К КУ=26 дБ (400 ед) и Р -1, ри этом необходимо сле- ие Р было близко к 1 (кедключение измеряемого ител ю мощности шумово- противном случае, при небречь даже при если ТИ=40000 К. П дить, чтобы эначе посредственное и усилителя к измер го сигнала). т,к.,В выражениях (1) и (2) приняты следующие условные обозначения:а,3 - вносимое затухание тракта от вы" хода опорного до входа измеряемого усилителя и от выхода последнего до входа измерителя мощности шумового сигнала соответственно, отн.ед;Ку - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн. ед.;Ти - эквивалентная шумовая температура входа измерителя мощности шумового сигнала, К;То - температура окружающей среды, К.Точность измерения способом постоянного уровня вы ше, 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 0,518 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 (ТТо) или высокотемпературных (ТТО) 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 Тш из-за наличия в формуле измерения (2) члена, рав-ф Т +Тного о и, которым нельзя пре1818979 на его выходе при согласованном входе ипри подаче на его вход шумового сигнала свыхода опорного усилителя, согласованногопо входу и аттестованного по эквивалент 5 ной шумовой температуре входа Т, соответственно,Поставленная цель достигается тем, чтоизмеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровни Рз и Р 4 мощности шумового10 сигнала на выходе упомянутого опорного усилителя при согласованном входе и при подачена его вход шумового сигнала с выхода измеряемого усилителя, согласованного по входу,соответственно. При этом измеряют отноше 15 ние М разностей измеренных уровней мощности шумового сигнала Р 4-Рз к Р 2-Р 1, послечего определяют шумовую температуру Тшизмеряемого усилителя из выражения:Т20 Т = Р 1.М (Т +Т ) - Т + в , К (3)ш афу о а о К где а, Р, у, . - вносимое затухание тракта от выхода измеряемого и опорного усилите ля до входа измерителя мощности шумовогосигнала, от выхода опорного до входа измеряемого усилителя и от выхода измеряемого до входа опорного усилителя соответственно, отн. ед30 Ку - коэффициент усиления измеряемого усилителя, отн.ед.;То - температура окружающей среды, К, Так как То = 293 К, то уже при Ку200членом То/Ку можно пренебречь.35 Интервал, в котором с вероятностью0,95 находится допустимая суммарная относительная погрешность дТц измерения шумовой температуры усилителя, определяется иэ выражения:40(4) 1,9 от ЗТ ш Ш 45 где К = ф отн,ед;афудк, дм, дтз, дто - предельные значенияпогрешности определения величин К, М, Та,То соответственно, о . 50Так, например, при К=1, дк2,5 о ;Та=300 К, дта5 То=300 К, дто 1%,Ку=10 Тш=900 К М=2, дм2,5 значение5дтш 3,8%,Иэ приведенного расчета очевидно, что 55по точности измерения заявленный способнаходится на уровне известного способа постоянного уровня. Однако заявленный способ проще в реализации не только КО=26 дБ и Ти=40000 К "добавка" в выражении (2) будет равна или больше 100. А это может привести к погрешности измерения до 30 ои более,Если же Ку=(510) дБ (однокаскадные СВЧ-усилители), то при той же 300 -й погрешности (член равен 100 В) значение Т измерителя должно быть не более (5001000) К, что практически не всегда возможно, А для уменьшения погрешности в 10 раз (до Зо ) значение Ти должно быть в пределах (50100) К, что не реально,Если же учитывать значение Ти, то это усложняет реализацию способа двух отсчетов, т,к. потребует дополнительных измерительных установок для измерения Ти и Ку, а также в связи с изменением Ку 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 Тш коэффициента усиления Куа опорного усилителя, т,к, требует дополнительной установки для измерения Ку.Способ двух отсчетов по авт. св. М 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 Р 1 и Р 2 мощности шумового сигнала известного способа постоянного уровня, но и способа-прототипа двух отсчетов, т.к. в нем исключена необходимость измерения и учета в формуле измерения Тш коэффициента усиления Куа опорного усилителя, а также по сравнению со способом-прототипом в формуле измерения отсутствует член -РТ+Ти, что исключает необходиКмасть использования дополнительных измерительных установок для измерения Ку, Ку, Ти и учета этих параметров в формуле измерения Тш1818979 Обоснование заявляемого способа заключается в следующем,Измеренный в заданной полосе пропускания Ю уровень Р 1 мощности шумового5 сигнала на выходе измеряемого усилителя,согласованного по входу, оавен:(Т +Т )К -ТР =К " + Т +Т К ЬГ, (Вт)а о и.уи 10 (6)где К,38 х 10 2 Вт/град. Гц - постоянная Больцмана;Куи, Ж - коэффициент усиления и полоса пропускания измерителя мощности шу мового сигнала, отн, ед, и Гц соответственно.Измеренный в упомянутой заданной полосепропускания Ж уровень Р 2 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилите ля при подаче на его вход шумового сигналас выхода опорного усилителя, согласованного по входу и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Тв,равен: о а К -Т у о К ЛГ, (Вт) уи+ Ьт", (Вт),уи Из выраженбразований поеления Тш мянутой заданной поровень Р 4 мощности 4 выходе упомянутого и подаче на его вход ода измеряемого усипо входу, равен:5 ныи в упо кания Ж у гнала на лителя пр гнала с вц сованного Измеренлосе пропусшумового сиопорного усишумового силителя, согла т =т +т т- т+ -(к) о К У+т ел ид Более того, в перспективе открывается возможность разработки и использования в производственном выпуске СВЧ-усилителей с Ку ЫЗ дБ высокоточных и высокопроизводительных малогабаритных измерительных установок типа "да", т.е, усилитель "годен", или "нет", т,е. усилитель "не годен", использующих в качестве опорного усилителя эталонный СВЧ-усилитель, Тв которого равна максимально допустимой шумовой температуре измеряемы усилителей, В этом случае при, К (что практи"а учески легко осуществимо, см. ниже) формула сравнения имеет вид:Т +ТМ:, (отн. ед) . (5)Т +Т Таким образом, если М, то Тш-Тв (усилитель на пределе годности), Если М 1, то ТаТв (брак), а если М 1, то ТшТв, т.е. СВЧ- усилитель годен к эксплуатации. (Т +Т )К -Т в ув оУ о ш гдк Кув -коэффициент усиления опорного усилителя, отн.ед,Измеренный в упомянутой заданной полосе пропускания Ж уровень Рз мощности шумового сигнала на выходе упомянутого опорного усилителя, согласованного по входу, равен:(10) путем простых пречаем формулу для опреорая при выборе опорного уси ув ЫЗ дБ (200) преобразуется На чертеже приведен один из возможых вариантов устройства для осуществлеия заявленного способа.45 50 55 Предложенный способ измерения эквивалентной шумовой температуры входа усилителя предусматривает выполнение в определенной последовательности следующих взаимосвязанных действий:измеряют в заданной полосе пропускания уровень Р 1 мощности шумового сигнала на выходе измеряемого усилителя 1, согласованного по входу (по измерителю мощности шумового сигнала 2, настроенного на полосу пропускания Ж, 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 Р 2 мощности 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 (через ограничительный аттенюатор 5, при этом СВЧ-переключатель 3 остается в установленном положении 1, а СВЧ-переключатель 6 устанавливают в положение(, в котором вход опорного усили, теля 4 подключен к выходу НС 7, а вход измеряемого усилителя 1 подключен к ограничительному аттенюатору 5;измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровень Рз мощности шумового сигнала на выходе опорного усилителя 4, согласованного по входу (при этом СВЧ- переключатель 6 остается в установленном положении И, а СВЧ-переключатель 3 также устанавливают в положении П, 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 Р 4 мощности 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 И, а СВЧ-переключатель 6 устанавливают в положение);определяют отношение М из выражения (10); определяют шумовую температуру измеряемого усилителя 1 из выражения (3),Как видно из приведенного чертежаструктурной схемы установки измерения Тш 5 усилителя, вносимое затухание тракта отвыхода измеряемого 1 до входа опорного усилителя 4 (1) и от выхода опорного 4 до входа измеряемого усилителя 1 Я легко сделать одинаковым, т,е. )ф=1, т.к, они имеют 10 общий ограничительный аттенюатор 5 иодинаковые входные и выходные разъемы, при идентичном затухании плеч СВЧ-переключателей. Также легко обеспечить равенство вносимых затуханий тракта от выхода 15 измеряемого 1 и опорного 4 усилителя доввода измерителя мощности 2 (а =ф При этом настройка устройства на значение К = - = 1 не представляеттруда. ПоэДа20тому предложенный способ целесообразноиспольэовать для простого прецизионногои высокопроизводительного измерения шумовой температуры СВЧ-усилителей в ре 25 жиме "да - нет", т.е. Тш меньше или большешумовой температуры Та эталонного опорного усилителя, в соответствии с выражением (5), при настройке и испытанияхСВЧ-усилителей в процессе их производст 30 ва, особенно широкополосных и не обеспеченных опорными генераторами шума,При этом отпадает необходимость вразработке и изготовлении целого рядаочень сложных и дорогостоящих широкопо 35 лосных опорных генераторов шума, а такжеизготовления большого количества целогоряда обычных узкополосных рабочих генераторов шума (достаточно иметь в страненебольшое количество эталонных генерато 40 ров шума для аттестации опорных СВЧ-усилителей), что сэкономит стране миллионырублей,Высокая производительность установки для осуществления способа, работающей в режиме "да - нет", особенно при управлении и обработке данных от Э ВМ, 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.1 ь 18979 Составитель И,ОчковскийТехред М.Моргентал Редактор Заказ 13 ректор М.Петров Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент" город, ул.Гагарина, 1 Формула .изобретения СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДА УСИЛИТЕЛЯ путем измерения в заданной полосе пропускания соответст венно уровней Р 1 и Р 2 мощности шумового сигнала нэ его выходе при согласованном входе и при подаче на его вход шумового сигнала с выхода опорного усилителя, согласованного по вхо.10 ду и аттестованного по эквивалентной шумовой температуре входа Та, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации способа при одновременном повышении точности измерения, измеряют в упомянутой заданной полосе пропускания уровня Рз и Р 4 мощности шу мового сигнала на выходе упомянутого опорного усилителя при согласован ном 20 входе и при подаче на его вход шумового сигнала с выхода измеряемого усилителя, согласованного по входу. Со- ответственно, при этом определяют отношение М разностей измеренных уровней мощности шумового сигнала Р 4 Рз и Р 2 - Р 1, шумовую температуру Тш измеряемого усилителя определяют из выраженияТТ = Т +Т )-Т + - , Кш афти о а р КУгде ифрА - 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,;Ку - коэффициент усиления измеряемого усилителя, относительно едТо - температура окружающей среды,