Измерители коэффициента шума

Для измерения шумовых параметров радиоэлектронных устройств промышленность выпускает приборы, называемые измерителями коэффициента шума (ИКШ). В их основе лежит модуляционный метод с компенсацией собственных шумов. Благодаря преобразованию частоты ИКШ работает в широком диапазоне от 0,01 до 37,5 ГГц.

В качестве примера рассмотрим измеритель Х5−11 (рис. 10.5), предназначенный для измерения коэффициента шума приемных устройств и усилителей СВЧ в диапазоне до 37,5 ГГц. Сигнал с выхода испытуемого устройства ИУ частотой 10—120 МГц поступает на первый преобразователь частоты ПЧ1, где преобразуется в первую промежуточную частоту 60 МГц. Сигнал частотой 60 МГц усиливается в ПЧ2.

и преобразуется в частоту 2 МГц и делится на два канала. Первый канал — измерительный — состоит из усилителя УПЧ1, квадратичного детектора КД1, усилителя частоты модуляции УЧМ, синхронного детектора СД1 и отсчетного устройства И.

Второй канал — автоматической регулировки усиления (АРУ) — состоит из усилителя УПЧ2, детектора КД2, усилителя УЧМ2 и детектора СД2.

Процедура измерения включает два режима: калибровка и измерение. В режиме калибровки сигнал генератора шума, модулированный частотой 80 Гц, через испытуемое устройство проходит преобразование частоты в блоке преобразователя ПЧ1 и затем в ПЧ2. Здесь сигнал усиливается, модулируется частотой 5 кГц и делится на два канала.

Рис. 103. Структурная схема измерителя коэффициента шума Х5−11.

В канале АРУ сигнал усиливается в УПЧ2, детектируется КД2 и через усилитель УЧМ2 частотой 80 Гц приходит на детектор СД2. Постоянное напряжение с его выхода используется для регулировки коэффициента передачи второго преобразователя ПЧ2 с целью поддержания необходимого уровня сигнала ГШ.

В измерительном канале переключатель П установлен в положение «калибровка», при котором модулирующие импульсы 80 Гц от генератора ГОС не проходят к усилителю УПЧ1. При этом сигнал на выходе КД1 аналогичен сигналу на выходе КД2 в канале АРУ. После усиления в УЧМ1 и детектирования в СД1 постоянное напряжение, пропорциональное температуре шума ГШ, поступает на отсчетное устройство И. Оператор регулировкой усиления измерительного канала устанавливает показания отсчетного устройства равными температуре шума ГШ. На этом калибровка заканчивается и включается режим измерения.

В режиме измерения канал АРУ работает так же, как и в режиме калибровки, поддерживая постоянным уровень сигнала ГШ.

В измерительном канате через переключатель П импульсы частотой 80 Гц модулируют сигнал в усилителе УПЧ1 в противофазе относительно частоты модуляции ГШ. Благодаря этому на детекторе СД1 выделяется только сигнал, пропорциональный коэффициенту шума испытуемого устройства.

Для измерения коэффициента шума малошумящих усилителей предусмотрена компенсация собственных шумов ИКШ. С этой целью сигнал генератора компенсации КГ модулируется частотой 5 кГц, противофазной с частотой модуляции основного сигнала. Перед включением испытуемого усилителя сигнал компенсации подается на выход преобразователя ПЧ2 и регулировкой уровня КГ добиваются нулевых показаний ИКШ.

Операции в режимах калибровки и измерения выполняются так же, как и без компенсации.

Суммарная погрешность ИКШ Х5−11 складывается из погрешностей градуировки ГШ, рассогласования, измерительного блока и нелинейности преобразователей. Значение суммарной погрешности измерения коэффициента шума не превышает ±10%.

Микропроцессорные измерители коэффициента шума Х5−29 — это современные средства измерений шумовых параметров СВЧ-устройств. Так же как и в рассмотренных ИКШ, в них сохранен блочно-модульный принцип построения, при котором измеритель состоит из блоков преобразователя, индикатора и генератора шума.

Существенная особенность этих ИКШ заключается в наличии микропроцессора, который управляет взаимодействием всех функциональных элементов при выполнении измерений. Все основные операции, необходимые для определения коэффициента шума либо температуры шума.

(установка частоты, калибровка, согласование, включение генераторов шума, компенсация собственных шумов, выбор диапазона измерения и др.), которые прежде осуществлялись оператором вручную, в этих измерителях выполняются по командам микропроцессора в соответствии с программами, записанными в его памяти. В силу этого множество переключателей и ручек управления исчезли с лицевой панели таких ИКШ, уступив место клавиатуре управления микропроцессором. Информация о вводимых командах, исходных данных и результатах измерения выводится на экран встроенного дисплея. Тем самым достигается удобство для оператора, повышается производительность и точность измерений. Наряду с измерениями коэффициента и температуры шума в память микропроцессора записаны программы измерений коэффициента передачи устройств, малых ослаблений, отношения спектральной плотности мощности генераторов шума, градуировки рабочих генераторов шума и поверки самого ИКШ методом двух отсчетов.

Принцип работы ИКШ виден из упрощенной структурной схемы (рис. 10.6). Сигнал от блока генератора шума ГШ через испытуемое СВЧ-устройство ИУ поступает в блок преобразователя на смеситель СМ, питаемый гетеродином Гет.

Сигнал промежуточной частоты с выхода смесителя через предварительный усилитель ПУПЧ и аттенюатор А1 подается в блок индикатора на аттенюатор А. После усилителя УПЧ сигнал делится на два канала, где идентичные ключи Ml и М2 модулируют его прямоугольными импульсами частотой 5 кГц. Модулированные сигналы детектируются идентичными квадратичными детекторами КД1 и КД2 и демодулируются синхронным детектором СД. Из-за того, что модулирующее напряжение на ключи Ml и М2 подается в противофазе, на выходе синхронного детектора суммарное напряжение пропорционально мощности исходного сигнала. Это напряжение в аналого-цифровом преобразователе преобразуется в цифровой код и поступает в оперативное запоминающее устройство ОЗУ микропроцессора.

Генератор шума ГШ, гетеродин Гет и генератор ГПЧ управляются микропроцессором через интерфейс Инт2. Аттенюатор А1 в блоке преобразователя, аттенюатор, А в блоке индикатора и устройство ввода связаны с микропроцессором через интерфейс Инт1.

Взаимодействие перечисленных узлов происходит следующим образом. Перед измерением коэффициента шума.

Рис 10.6. Структурная схема измерителя коэффициента шума Х5−29.

генератор ГШ соединяют непосредственно с преобразователем, минуя испытуемое устройство. Оператор подает команду «калибровка» (нажимает кнопку «Кал» на панели управления). При этом микропроцессор периодически включает и выключает ГШ, фиксируя уровни сигнала а, (ГШ выключен) и (3, (ГШ включен) на входе АЦП.

где k — коэффициент пропорциональности; к_х — коэффициент передачи по мощности от входа преобразователя до входа АЦП; 7', — температура шума измерителя, приведенная ко входу преобразователя.

Уровни сигналов а, и р, преобразованные в код, запоминаются в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ.

Далее микропроцессор вычисляет коэффициент шума измерительной системы по формуле.

которая следует из (10.20) и (10.19), где t_rm — избыточная относительная шумовая температура генератора шума.

Процедура «калибровка 1» выполняется микропроцессором в 100 точках частотного диапазона, причем в каждой точке многократно измеряются а, и p_t, а затем проводится их усреднение.

После выполнения калибровки оператор включает испытуемое устройство между генератором шума и преобразователем. Перед включением питания испытуемого устройства делают дополнительную калибровку, при которой фиксируется уровень.

где k₂ — коэффициент передачи измерительной системы после установки на входе преобразователя испытуемого устройства.

Заметим, что значения k₂ и /г, отличаются незначительно, поскольку их различие связано лишь с нестабильностью коэффициента передачи системы, поэтому дополнительная калибровка используется в дальнейшем для оперативного контроля калибровки без перестыковки СВЧ-узлов.

Значение а₂ также запоминается в ОЗУ микропроцессора в 100 точках диапазона.

Измерение коэффициента шума начинается после нажатия кнопки «ИКШ1». При этом так же, как и при калибровке, включается и выключается генератор шума ГШ с целью фиксации уровней сц (ГШ выключен) и р._{ (ГШ включен).

где G — коэффициент передачи испытуемого устройства.

Усредненные значения а, и р, в каждой из 100 точек диапазона запоминаются в ОЗУ микропроцессора. Затем вычисляются.

где F_v — коэффициент шума испытуемого устройства.

Рассчитанные значения G и F_y индуцируются на экране дисплея в виде графика, а в цифровой форме — только для частоты, отмеченной на графике меткой. Кроме того, на цифровом табло указываются начальная и конечная частоты диапазона, а также частота метки.

В заключение рассмотрим градуировку генераторов шума с помощью измерителя Х5−29. Градуировка ГШ проводится методом сравнения с образцовым генератором шума.

Рис 10.7. Градуировка генератора шума с помощью измерителя коэффициента шума Х5−29.

Схема соединений для операции градуировки показана на рис. 10.7. Образцовый генератор ГШО и измеряемый ГШ через управляемый переключатель П соединяются с согласующим трансформатором СТ, который в свою очередь соединен с преобразователем Я8Х-74 через основной канал направленного ответвителя НО. К боковому плечу ответвителя подключен специальный генератор шума ГШС. Этот генератор предназначен для индикации согласования сравниваемых генераторов со входом Х5−29. НО ориентирован в сторону сравниваемых генераторов, поэтому на вход Х5−29 приходит сигнал ГШС, отраженный от сравниваемых генераторов.

Процесс градуировки происходит следующим образом. Переключателем П включают образцовый ГШО, нажимают кнопку «Согл» и подстройкой трансформатора добиваются согласования.

Микропроцессор периодически включает и выключает ГШС, фиксируя уровни а₎₍. и Р_1с,.

где Г — модуль коэффициента отражения на выходе трансформатора.

Разность уровней, рассчитанная микропроцессором, пропорциональна квадрату модуля коэффициента отражения Г.

Согласование соответствует минимуму значения (10.22) при перестройке трансформатора.

После настройки согласования оператор нажимает кнопку «Кал», что соответствует команде на выполнение операции «калибровка». При этой операции генератор ГШО периодически включается и выключается микропроцессором для измерения уровней а, и р, определяемых формулами (10.19) и (10.20), и вычисления коэффициента шума системы F по формуле (10.21). Значения а, Р, и F запоминаются в ОЗУ микропроцессора.

После выполнения операции «калибровка» оператор переключателем П соединяет со входом измерителя Х5−29 градуируемый генератор ГШ. С помощью трансформатора так же, как и для образцового генератора, оператор согласовывает градуируемый генератор. Затем нажимает кнопку «ИС», с помощью которой в микропроцессор вводится команда на выполнение программы измерения отношения шумовых температур.

В процессе измерения градуируемый генератор включается и выключается с той же частотой, что и при калибровке по образцовому генератору шума. На входе аналоговоцифрового преобразователя АЦП фиксируются уровни.

Значение избыточной относительной температуры шума градуируемого генератора вычисляется микропроцессором по формуле.

где ?_гшо — избыточная относительная температура шума образцового генератора.