ИКШСД

ШУМЫ СМЕСИТЕЛЬНОГО СВЧ ДИОДА
Цель - изучить шумовые свойства смесительного СВЧ диода, физический
принцип действия, устройство и характеристики волноводного
небалансного смесителя и научиться измерять коэффициент шума.
Самостоятельная работа - а) изучить пособие; б)занести в рабочую тетрадь:
- название и цель лабораторной работы;
- основные положения, формулы и рисунки,
необходимые для ответов на контрольные вопросы.
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В
настоящее
время
продолжается
интенсивное
спутниковой и наземной (радиорелейной, метеорной и
обусловленное
увеличением
объёма
и
скорости
развитие
систем
тропосферной) связи,
передачи
информации,
применением новых типов модуляции, кодирования и обработки сигналов,
совершенствованием технологий изготовления и появлением новой элементной
базы. От технических параметров входного СВЧ тракта зависит качество приёма
сигналов системы связи.
Современный этап развития спутниковых (ССС) и наземных систем связи
(НСС) можно кратко охарактеризовать следующими тенденциями:
-увеличение объёма скорости передаваемой информации за счёт применения
новых типов модуляции, кодирования и обработки сигналов, что влечёт за собой
ужесточение требований к отдельным техническим характеристикам приёмных
устройств и к совокупности параметров;
3
-управление уровнем мощности передающей части системы для уменьшения
размеров приёмной антенны при сохранении качества связи;
-применение в глобальных ССС десятков локальных и переключаемых лучей
с коммутацией на борту спутников и ретрансляторов;
-активное освоение ранее недогруженных и расширение уже освоенных
диапазонов частот.
Перечисленное выше накладывает жёсткие требования к СВЧ-элементам
приёмных трактов систем связи по совокупности технических характеристик,
которые, в свою очередь, в значительной степени определяют показатели качества
этих систем.
Для работы в составе аппаратных средств современных систем связи СВЧ
диапазона широко используются малошумящие преобразователи (МШПР),
осуществляющие перенос спектра входных рабочих частот.
2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА
Все радиоэлектронные устройства, применяемые для передачи, приёма или
преобразования информации, имеют собственные шумы, которые, накладываясь
на информацию, в той или иной мере искажают её. Степень искажения
информации зависит от соотношения уровня мощности полезного сигнала Рс и
мощности собственных шумов Рш радиоэлектронных устройств.
При большом отношении сигнал/шум (Рс/Рш) искажения незначительны.
Если же это отношение (Рс/Рш) приближается
к 1, то искажения возрастают
настолько, что полезная информация становится трудно узнаваемой, как говорят
«теряется
в
шумах».
Это
обстоятельство
определяет
способность
радиолокационных приёмников обнаруживать удалённые объекты, а также
возможности
связных,
радиовещательных
и
телевизионных
приёмников
принимать сигналы удалённых радио- и телевизионных станций. Поэтому для
4
оценки качества радиоэлектронных устройств были введены «шумовые»
параметры: коэффициент шума F и эффективная температура шума Тш.э.
Коэффициентом шума называют величину, показывающую, во сколько раз
отношение сигнал/шум на выходе устройства уменьшилось по сравнению с
отношением сигнал/шум на его входе:
F
Pс.вх Pш.вх
,
Pс.вых Pш.вых
(1)
где Р с.вх и Р ш.вх – мощность сигнала и шума на входе устройства ;
Рс.вых и Рш.вых –мощности сигнала и шума на выходе устройства .
В формулу (1) входит коэффициент усиления устройства по мощности
P
G  с.вых .
Pс.вх
(2)
С учетом этого обозначения формула (1) принимает вид
F
Pш.вых
.
Pш.вх  G
(3)
Формулы (1) – (3) неявно предполагают независимость параметров сигнала и
устройства от частоты. Для реальных устройств это предположение не
выполняется, поэтому вводят понятие дифференциального коэффициента шума:
F( f ) 
S ш.вых. ( f )
,
S ш.вх.( f )G ( f )
(4)
где Sш(f) – спектральная плотность мощности шума, определяется
соотношением
P f 
Sш  f   ш
f
при
 f 0 ,
(5)
где Δf – полоса пропускания приёмного устройства.
Шумы на входе устройства обусловлены шумами, пришедшими вместе с
полезным сигналом, в том числе и с шумами источника сигнала.
5
Предположим, что на вход устройства вместе с полезным сигналом
приходят только шумы источника сигнала со спектральной плотностью
S ш.у (f).
В этом случае на выходе устройства шумы будут состоять из двух слагаемых:
входных шумов, усиленных в G раз, и собственных шумов устройства:
S ш.вых  f   S ш.вх  f   G  f   S ш. у  f  .
где Sш.у(f) – спектральная плотность шумов на выходе
(6)
устройства,
обусловленная его внутренними причинами .
Выражение для дифференциального коэффициента шума в этом случае
принимает вид
F f  1
S ш. у  f 
S ш.вх  f   G  f 
.
(7)
Из формулы (7) видно, что значение коэффициента шума для одного и того же
устройства будет меняться при изменении шумовых параметров источника
сигнала. Чтобы исключить возникающую при этом неоднозначность, условились
считать, что шумы на входе устройства обусловлены лишь шумами теплового
происхождения от сопротивления
источника сигнала, находящегося при
температуре То=293о К (в некоторых источниках указывают То=290о К).
В соответствии с известной формулой Найквиста, сопротивление R при
температуре Т создаёт ЭДС шумов
2
Eш
 4kT  R  f ,
(8)
где k–постоянная Больцмана (k=1,38 10-23 Дж/К).
Известно, что мощность шумов, выделяемая на согласованной нагрузке
Rн=R в полосе ∆f, имеет значение Рш = kT∙∆f , а соответствующая
ей
спектральная плотность мощности шума
S ш  f   kT .
(9)
С учётом сказанного, дифференциальный коэффициент шума активного
устройства (четырехполюсника) определяется соотношением
6
F f   1
S ш. у  f 
kT0  G f 
.
(10)
Для оценки качества малошумящих устройств удобнее пользоваться
понятием «эффективная температура шума входа». В этом случае мощность
шумов на выходе устройства представляют в виде мощности условного теплового
источника на входе, усиленной в число раз, равное коэффициенту усиления G:
Pш. у  kTш.э  f  G ,
(11)
где Тш.э.– эффективная температура шума входа устройства.
3 ПРОЦЕСС ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ
Преобразование частоты – процесс переноса спектра радиосигнала из одной
области радиочастотного диапазона в другую при сохранении структуры сигнала
–
широко используется в супергетеродинных приёмниках для получения
промежуточной частоты (ПЧ). В супергетеродинных приёмниках (рисунок 1)
сигнал от антенны поступает на малошумящий усилитель (МШУ) высокой
частоты. Затем
с помощью преобразователя частоты (ПрЧ) спектр сигнала
переносится на более низкую промежуточную частоту (fпч).
Рисунок 1 - Упрощенная структурная схема супергетеродинного приёмника
7
МШУ в большинстве случаев выполняют по балансной схеме. Он состоит из
необходимого набора полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ) (тип
транзисторов и их количество зависят от рабочего диапазона входных частот) с
цепями питания и стабилизацией рабочей точки вольт-амперной характеристики
(ВАХ) по постоянному току.
ПрЧ состоит из смесителя, полосно-пропускающего фильтра и гетеродина.
Гетеродин (ГЕТ) обычно построен по схеме фазовой автоподстройки
частоты (ФАПЧ) и состоит из каскадного соединения умножителей частоты
(кратность умножения каждого зависит от значения частоты гетеродина) и
соответствующих полосно-пропускающих фильтров.
Преобразование частоты осуществляется в смесителе (СМ).
В гетеродинном преобразователе частоты сигнал и колебания гетеродина
одновременно воздействуют на нелинейный элемент, входящий в состав
смесителя. В результате возникает колебание, имеющее в своём составе
составляющие с частотами сигнала fс и его гармоник, гетеродина fг и его гармоник
и большое число комбинационных составляющих с частотами f K  nf Г  mf0 ,
где n и m – целые числа. Одну из этих комбинаций частот, используемую в
качестве новой несущей частоты выходного сигнала, называют промежуточной
частотой fпч. Фильтр пропускает только сигнал fпч. Усиление сигнала
осуществляется с помощью усилителя промежуточной частоты (УПЧ).
4 ЛИНЕЙНОСТЬ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
С точки зрения минимизации искажения информации при преобразовании
частоты и улучшения избирательности при наличии мешающих сигналов,
смеситель для сигнала должен быть линейным, т.е. в нём не должны порождаться
гармоники частоты сигнала. Это условие выполняется более или менее точно,
8
если сигнал Uс является «малым», т.е. Uc<< Uг. При этом размах сигнала
захватывает лишь небольшой участок характеристики смесителя, и ее можно
считать линейной на этом участке.
По отношению к колебаниям гетеродина нелинейность смесителя должна
проявлять себя возможно сильнее. Обычно это требует значительных амплитуд
гетеродинного напряжения Uг. Таким образом, в подавляющем большинстве
случаев выполняется условие Uc<< Uг. До тех пор, пока выполняется это
неравенство, свойства смесителя не зависят от амплитуды сигнала и всецело
определяются свойствами смесителя, амплитудой гетеродинного напряжения и
стабильностью его колебаний.
В этих условиях любая из комбинационных составляющих несёт ту же
информацию, что и первичный сигнал, и может быть принята за колебания
промежуточной частоты. Составляющая промежуточной частоты выделяется
фильтром, включаемом в качестве нагрузки смесителя.
Со спектральной точки зрения, как видно из изложенного, происходит
перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без нарушения
амплитудных и фазовых соотношений его составляющих.
5 ЭЛЕМЕНТЫ СМЕСИТЕЛЯ
Различают небалансные, балансные, двойные балансные и кольцевые
смесители, в которых используется один, два и более смесительных диода с
соответствующей фазировкой колебаний сигнала и гетеродина.
В общем случае небалансный смеситель можно представить в виде
структурной схемы (рисунок 2). К смесительному диоду приложены два
напряжения: сигнала Uс и гетеродина Uг, а на выходе выделяется сигнал
промежуточной частоты Uпч.
9
Рисунок 2 - Структурная схема смесителя
ФНЧ имеет прямоугольную частотную характеристику с частотой отсечки
равной промежуточной частоте.
В качестве фильтров промежуточной частоты используют одиночные
колебательные контуры, двухконтурные фильтры и фильтры сосредоточенной
избирательности.
В длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн обычно
применяют интегральные СВЧ смесители, выполненные на основе полосковой
техники, в миллиметровом диапазоне
длин волн – в основном волноводные
конструкции.
6 СМЕСИТЕЛЬНЫЙ ДИОД
Роль нелинейных элементов в современных смесителях обычно выполняют
смесительные диоды. Это, как правило, диоды с барьером Шоттки. Коэффициент
передачи номинальной мощности диодного смесителя
Kп ном<1, поэтому на
коэффициент шума приёмника заметное влияние может оказывать шум УПЧ. Как
правило коэффициент шума УПЧ Kш упч =(1,5 ± 0,1).
10
Поэтому главный параметр смесительного диода – нормированный
коэффициент
шума
Fнорм
–
определяют
как
коэффициент
супергетеродинного приёмника с данным диодом в смесителе
коэффициента шума УПЧ :

шума
с учётом

Fнорм  Lпрб t Д  K шупч  1 , дБ,
(12)
где t Д  1 – относительная шумовая температура диода.
Она равна отношению мощности шумов данного диода в рабочем режиме к
мощности шумов согласованной нагрузки при той же температуре и одинаковой
полосе частот. Через Lпрб обозначены потери преобразования смесителя, которые
определяются как отношение мощности СВЧ сигнала на его входе к мощности
сигнала ПЧ на его выходе:
LПРБ  PСВЧ PПЧ  1 K П НОМ , или LПРБ  10 lg PСВЧ PПЧ , дБ ,
(13)
где РСВЧ – мощность входного сигнала;
Р ПЧ – мощность промежуточной частоты на выходе смесителя;
К П НОМ – коэффициент передачи номинальной мощности.
Потери преобразования смесительного диода равны (3 – 10)дБ и включают:
- потери преобразования сигнала на линейном дифференциальном
сопротивлении перехода (зависящие от частоты, схемы смесителя, вида
ВАХ диода и режима его работы);
- потери в диоде, обусловленные наличием паразитных параметров;
- потери из-за рассогласования смесителя на СВЧ и ПЧ.
Типичные значения в
сантиметровом диапазоне длин волн при
использовании ДБШ Fнорм =5 – 8дБ, в миллиметровом – Fнорм =10 – 12дБ.
В коротковолновом части сантиметрового и в миллиметровом диапазоне
длин волн до частот порядка 400ГГц, как правило, используются смесители на
ДБШ, обладающие большим напряжением пробоя, и большой крутизной прямой
11
ветви ВАХ и малым коэффициентом шума.
В диапазоне СВЧ шумы диода состоит из тепловых шумов сопротивления
потерь R П и шумов, обусловленных флуктуациями постоянной составляющей
тока I 0 , текущего через диод (дробовые шумы).
7 ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА
Шумовые свойства смесителя характеризуются относительной шумовой
температурой
tСМ  t Д  t Г ,
(14)
где t Д – относительная шумовая температура диода;
tг – составляющая относительной шумовой температуры,
учитывающая влияние шумов гетеродина.
Относительная шумовая температура смесителя tсм
полной мощности шумов на выходе смесителя Pш вых
ном
равна отношению
к мощности тепловых
шумов, создаваемых эквивалентным сопротивлением его диода при стандартной
температуре kT0 fУПЧ :
t СМ  PШ ВЫХ
НОМ
kT0 fУПЧ , ед
(15)
где T0 = 293 К – стандартная температура ;
∆fупч – эквивалентная шумовая полоса УПЧ в мегагерцах.
Отсюда следует, что коэффициент шума смесителя
K Ш СМ 
t СМ
K П НОМ

PШ ВЫХ
НОМ
kT0 fУПЧ  K П НОМ
 LПРБ t СМ , дБ
(16)
Зависимость относительной шумовой температуры смесительного диода tд,
потерь преобразования Lпрб и коэффициента шума смесителя Кш
шума гетеродина) от постоянной составляющей тока через диод I0
рисунке 3.
12
см
(без учета
приведена на
Рисунок 3 - Зависимость шумовых характеристик смесителя (Кш см ) и
смесительного диода (tд ), а так же потерь преобразования (LПРБ ) от постоянной
составляющей тока Io смесительного диода
Нерезко выраженный минимум Kшсм говорит о возможности выбора
мощности гетеродина в достаточно широких пределах. Оптимальный режим
смесительного диода по постоянной составляющей тока лежит в пределах 0,3 –
0,5мА, что соответствует мощности на диоде 1 – 3мВт.
Наличие минимума коэффициента шума Kшсм объясняется тем, что при
малых токах
I0 (т.е. при малой мощности гетеродина Pг) коэффициентом
передачи номинальной
мощности Кп ном стремятся к нулю (Lд → ∞). При
больших токах I0 коэффициент передачи номинальной мощности увеличивается
незначительно, в то же время существенно возрастают дробовые шумы смесителя,
т.е. возрастает относительная шумовая температура смесительного диода t д.
Поэтому в диодном смесителе существует оптимальное значение тока, при
котором шумы еще невелики, а потери значительно уменьшаются (I0 = 0,3 –
0,5мА). Необходимую степень связи гетеродина с диодом контролируют по
значению тока I0, которое легко измерить.
13
Шумы гетеродина вносят заметный вклад в общий шум смесителя. Спектр
шума гетеродина Gг (f) определяется частотной характеристикой его резонансной
системы (рисунок 4).
Рисунок 4 − Спектр шума гетеродина
Составляющие спектра шума, которые отстоят от частоты гетеродина на
±fпч и лежат в полосе fупч (на рисунке 4 эти области частот заштрихованы)
взаимодействуют в смесительном диоде с колебаниями гетеродина и дают на
выходе смесителя дополнительные составляющие, которые попадают в полосу
пропускания УПЧ. Из рисунка 4 видно, что чем выше добротность резонансной
системы гетеродина и промежуточная частота, тем меньшую мощность имеют эти
составляющие шума, т.е. тем меньше относительная шумовая температура
гетеродина tг.
8 НЕБАЛАНСНЫЕ СМЕСИТЕЛИ (НбС)
8.1 Структура НбС и его спектр
Небалансный (однотактный) смеситель в простейшем случае состоит из
направленного ответвителя (НО)
в качестве сумматора (схемы сложения)
14
колебаний СВЧ и однополупериодного перемножителя на смесительном диоде.
На выходе смесителя включается полосовый фильтр ПЧ. Колебания сигнала Uc(t)
= Uccos (wct + φc) и гетеродина Uг(t) = Uгcos (wгt + φг) в схеме сложения образуют
биения U(t) = Uг(t) + Uс(t) сложной формы, подаваемые на диод, ВАХ которого
можно аппроксимировать степенным рядом
I  a1U  a2U 2  a3U 3  a4U 4  ....
(17)
В спектре тока диода имеется постоянная составляющая I0, гармоники
гетеродина и сигнала, а также многочисленные комбинационные составляющие с
частотами fпч = ‫ ׀‬±m fг ± n fс едг ,‫׀‬m и n – целые числа (рисунок 5).
Рисунок 5 − Спектр колебаний смесителя
В отличие от детекторного диода, рабочая точка которого в отсутствие
сигнала выбирается на ВАХ в начале координат (I0=0) или при I0 ≈ 10 – 20мкА за
счёт источника прямого смещения, у смесительного диода I0 ≈ 0,5 – 1мА за счёт
выпрямленного напряжения гетеродина. При условии Uc << Uг ≈ 1В смеситель
осуществляет линейное преобразование спектра. На выходе смесителя фильтр
выделяет основной продукт преобразования – разностную (промежуточную)
частоту fпч = fс – fг (или fпч = fг – fс), которая должна быть достаточно высокой
(fпч > 30МГц) для снижения коэффициента шума за счет уменьшения фликкер15
эффекта.
8.2 Конструкция волноводного НбС
Небалансные смесители могут быть волноводной, коаксиальной или
микрополосковой конструкции. Эскиз волноводного НбС и его схема приведены
на рисунке 6.
а)
б)
1 – основной волновод; 2 – вспомогательный волновод; 3 – отверстия связи; 4 –
смесительный диод; 5 – центральный проводник коаксиальной линии; 6 –
четвертьволновый фильтр частоты сигнала и гетеродина; 7 – центрирующая
диэлектрическая шайба; 8– коаксиальный разъём выхода ПЧ; 9 – поглощающая
вставка
Рисунок 6 - Конструкция (а) и схема (б) волноводного НбС
16
Смесительная секция с диодом и коаксиальным выводом постоянного тока
и ПЧ соединена с НО. В прямое плечо НО подаётся принимаемый сигнал Рс, в
боковое плечо – мощность гетеродина Рг; этим обеспечивается развязка цепей
сигнала и гетеродина. Для уменьшения потерь сигнала переходное ослабление
НО желательно выбирать большим, но при этом будет сильно ослабляться
мощность гетеродина, подводимая к диоду. Если переходное ослабление равно
10дБ, то в согласованной нагрузке НО теряется лишь 1/10 часть мощности
сигнала Рс , т.е. вносятся потери Lс ≈ 0,5дБ. Для получения минимального
коэффициента шума диода Fнорм (12) оптимальная мощность гетеродина Рг,
подводимая через НО к диоду, должна быть равна 0,5 – 1,5мВт для точечных
диодов и 2 – 3мВт для ДБШ.
8.3 Недостатки НбС
Главным недостатком НбС является преобразование амплитудных шумов
гетеродина на ПЧ. В соответствие с рисунком 4 преобразование шумов
гетеродина происходит как по основному, так и по зеркальному каналу приёма.
Это приводит к значительному увеличению КШСМ НбС, особенно при низких ПЧ
или приёме сигналов в высокочастотной части диапазона СВЧ, где шумы
соответствующих гетеродинов возрастают. Поэтому НбС имеют КШСМ = 10 –
15дБ. Снижения КШСМ резистивных смесителей на 5 – 6дБ можно добиться их
охлаждением, например, до температуры жидкого азота (77К), однако это связано
с большими неудобствами в эксплуатации.
К другим недостаткам НбС необходимо отнести высокий уровень
интермодуляционных шумов и заметные нелинейные искажения сигнала, что
ограничивает его динамический диапазон.
17
9 ИЗУЧАЕМЫЙ ДИОД И СМЕСИТЕЛЬ
В
смесителе
конструкции,
используется
приспособленный
корпусной
для
диод
включения
Д608
в
цилиндрической
коаксиальный
тракт
коаксиально-волноводного перехода смесителя (рисунок 7).
На рисунке 7 показан разрез смесительного диода:
1 – металлическая игла; 2 – кристалл полупроводника; 3
– керамический корпус; 4 – металлические фланцы –
выводы. Вследствие малой междуэлектродной ёмкости
такой диод может с успехом использоваться на частотах
вплоть до десятков гигагерц.
На рисунке 8 показан эскиз изучаемого волноводного небалансного
смесителя на основе гребневого волновода 1 сечением 17х8мм.
Рисунок 8 – Конструкция изучаемого волноводного небалансного смесителя
18
К гребню 2 волновода на расстоянии /4 от закороченного конца прикреплён
центральный
проводник
полупроводниковый
коаксиала,
смесительный
в
диод
разрыв
3.
которого
Шайбовый
включён
резистор
4
с
сопротивлением, равным волновому сопротивлению коаксиала, выравнивает
амплитудно-частотную характеристику диода. В сторону входного фланца 5
волновода высота гребня плавно снижается для получения широкополосного
согласования смесительного диода с прямоугольным волноводом стандартного
сечения,
который
является
трактом
сигнала
гетеродина.
Коаксиально-
волноводный переход 6 смесителя предназначен для подключения к тракту
промежуточной частоты.
Для подачи на смесительный диод мощности сигнала и гетеродина
используется волноводный направленный ответвитель (НО).
10 МОДУЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА
Модуляционные методы основываются на модуляции шумовых сигналов
периодической последовательностью прямоугольных импульсов, благодаря
которой измерение отношений мощностей шумовых сигналов сводится к
измерению отношений амплитуд сигналов с частотой модуляции.
Например, введение 100% модуляции генераторов Гш1 и Гш2 в
противофазе прямоугольными импульсами со скважностью, равной двум,
эквивалентно
периодическому
срабатыванию
переключателя
с
частотой
модуляции. Если при этом вместо измерителя мощности включить детектор с
фильтром для выделения сигнала с частотой модуляции, то её амплитуда будет
пропорциональна разности мощностей генераторов Гш1 и Гш2. Таким образом,
вследствие модуляции генераторов шума удаётся автоматизировать измерение
отношения мощностей.
19
Кроме
того,
чувствительность
синхронного
модуляция
измерителя
детектирования
даёт
возможность
коэффициента
сигналов.
шума
существенно
за
счёт
Чувствительность
повысить
применения
приёмника
с
синхронным детектором улучшается до значения
Tmin 

2 2

F  T0
f  
,
(18)
где Тmin – минимальная температура шума, регистрируемого приёмником;
τ – постоянная времени отсчётного устройства приёмника;
∆f – полоса пропускания линейной части приёмника в герцах.
Схема модуляционного метода измерения показана на рисунке 9.
ГШ
ИУ
М
ГМ
УВЧ
КД
СД
УЧМ
Рисунок 9 - Структурная схема модуляционного метода измерения
коэффициента шума
Сигнал от генератора ГШ через испытуемое устройство ИУ и модулятор М
поступает на усилитель высокой частоты УВЧ, квадратичный детектор КД и
усилитель частоты модуляции УЧМ. Генератор модулирующих импульсов ГМ
формирует прямоугольные импульсы для модуляции генератора шума и сигнала
на выходе испытуемого устройства. Процедура измерения состоит из двух
операций: калибровка и измерение. При калибровке модулируется только ГШ.
20
Регулируют усиление УВЧ таким образом, чтобы отсчётное устройство и на
выходе УЧМ показывало относительную температуру шума:
1 
k T ГШ  T0 
.
T0
(19)
После калибровки включают режим измерения. При измерении ГШ
выключен, но модулируется шумовой сигнал на выходе испытуемого устройства
в режиме измерения
 T0  TУ T0/ 
   k FУ    ,
T0 
 T0
2  k
(20)
где T0/ – температура шума выключенного испытуемого устройства ИУ.
Значение α2 отличается от относительной температуры шума испытуемого
устройства на величину   T0/ T0 , представляющую собой систематическую
погрешность метода.
Другим источником систематической погрешности в рассмотренном методе
являются шумы измерительного приёмника, состоящего из усилителя, детектора
и усилителя частоты модуляции. Для исключения этой погрешности применяют
схемы с компенсацией собственных шумов, подобно тому, как это выполнено в
измерителе Х5-11.
11 ИЗМЕРИТЕЛИ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА
Для
измерения
шумовых
параметров
радиоэлектронных
устройств
промышленность выпускает средства измерений, называемые измерителями
коэффициента шума (ИКШ). Все они построены по модуляционному методу с
компенсацией собственных шумов. Благодаря преобразованию частоты ИКШ
работает в широком диапазоне частот от 0,01 до 37,5ГГц.
В качестве примера рассмотрим структурную схему измерителя Х5-11
(рисунок 10), предназначенного для измерения коэффициента шума приёмных
21
устройств.
Рисунок 10 - Структурная схема измерителя коэффициента шума Х5-11
Сигнал с выхода испытуемого устройства ИУ частотой 10–120МГц поступает
на первый преобразователь частоты ПЧ1, где преобразуется в первую
промежуточную частоту 60МГц. Сигнал частотой 60МГц усиливается в ПЧ2 и
преобразуется в частоту 2МГц и делится на два канала. Первый канал –
измерительный – состоит из усилителя промежуточной частоты УПЧ1,
квадратичного детектора КД1, усилителя частоты модуляции УЧМ1, синхронного
детектора СД1 и отсчётного устройства И.
Второй канал – автоматической регулировки усиления (АРУ) – включает
усилитель УПЧ2, квадратичный детектор КД2, усилитель частоты модуляции
УЧМ2 и синхронный детектор СД2.
Процедура измерения включает два режима: «калибровка» и «измерение». В
режиме «калибровка» сигнал генератора шума, модулированный частотой 80Гц,
через испытуемое устройство проходит преобразование частоты в блоке
22
преобразователя ПЧ1 и затем в ПЧ2. Здесь сигнал усиливается, модулируется
частотой 5кГц и делится на два канала.
В канале АРУ сигнал усиливается в УПЧ2, детектируется квадратичным
детектором и через усилитель частоты модуляции 80Гц приходит на синхронный
детектор СД2. Постоянное напряжение с выхода синхронного детектора
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 80Гц от генератора ГОС не
проходят к усилителю УПЧ1. При этом сигнал на выходе детектора КД1
аналогичен сигналу на выходе КД2 в канале АРУ. После усиления в УЧМ1 и
синхронного детектирования в СД1 постоянное напряжение, пропорциональное
температуре шума ГШ, поступает на отсчётное устройство И. Оператор
регулировкой
усиления
измерительного
канала
устанавливает
показания
отсчётного устройства, равными температуре шума ГШ. На этом калибровка
заканчивается и включается режим “измерение”.
В режиме “измерение” канал АРУ работает так же, как и в режиме
“калибровка”, поддерживая постоянный уровень сигнала ГШ.
В измерительном канале через переключатель П импульсы частотой 80Гц
модулируют сигнал в усилителе УПЧ1 в противофазе относительно частоты
модуляции ГШ. Благодаря этому на синхронном 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 ГК модулируется частотой 5кГц, противофазной с
частотой модуляции основного сигнала. Перед включением испытуемого
усилителя сигнал компенсации подается на выход преобразователя ПЧ2 и
регулировкой уровня ГК добиваются нулевых показаний ИКШ.
23
Операции в режимах “калибровка” и “измерение” выполняются так же, как
и без компенсации.
Суммарная погрешность ИКШ Х5-11 складывается из погрешности
градуировки ГШ, погрешности рассогласования, нелинейности преобразователей
и погрешности измерительного блока. Значение суммарной погрешности
измерения коэффициента шума не превышает ±10%.
12 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Для экспериментального изучения шумовых характеристик смесителя
используется установка, структурная схема которой приведена на рисунке 11.
Рисунок 11 - Схема электрическая структурная для измерения коэффициента
шума смесителя
24
На рисунке 11 обозначены:
А1 – изучаемый небалансный волноводный смеситель ГДВ-III;
Р1–
индикаторный
блок
Я2Р-67
панорамного
измерителя
КСВН
и
ослаблений Р2-67;
Р2 – усилитель промежуточной частоты «Крокус»;
Р3 – измеритель коэффициента шума Х5-26;
G1–
генератор
качающейся
частоты
панорамного
измерителя
КСВН и
ослаблений Р2-67;
G2 – блок питания усилителя промежуточной частоты;
G3 – блок питания генератора шума Я5Х-270;
G4 – волноводный генератор шума ГШ-5;
W1 – волноводный ферритовый вентиль Э6-45;
W2 – волноводный аттенюатор 10 дБ;
W3 – волноводный направленный ответвитель;
W4 – фильтр низких частот;
XW1 – коаксиальный переход с сечения 10×4,34 мм на сечение 7×3 мм;
XW2, XW3 – волноводный переход с сечения 17×8 мм на сечение 16×8 мм;
XW4 – нагрузка волноводная согласованная;
А – кабель соединительный из комплекта Р2-67;
Б, Е – кабели высокочастотные соединительные;
В – жгут питания ГШ;
Г – жгут питания усилителя ПЧ “Крокус”;
Д – кабель высокочастотный из комплекта Х5-26;
Х1 – розетка усилителя ПЧ “Крокус”.
Установка предназначена для измерения коэффициента шума смесителя в
диапазоне частот 12-17ГГц.
Сигнал от генератора шума G3 поступает в основной волновод (вход 1) НО
W3 и затем в смеситель А1.
25
Сигнал от гетеродина G через развязывающий ферритовый вентиль W1 и
постоянный аттенюатор W2 направляется во вспомогательный волновод (вход 2)
НО W3. Применение НО W3 обеспечивает развязку СВЧ трактов сигнала и
гетеродина. Величина затухания аттенюатора 10дБ и переходное ослабление НО
7дБ снижают мощность гетеродина, поступающую на смеситель, до уровня 0,51,3мВт (рисунок 12) в диапазоне частот 12-17ГГц, что является вполне
приемлемым.
Рисунок 12 - Зависимость мощности гетеродина на входе смесителя от
частоты
Далее сигнал от гетеродина поступает с выхода 3 НО на смеситель А1. В
смесителе происходит смешение шумового сигнала и сигнала гетеродина и
выделение на нелинейном элементе (диоде) продуктов преобразования, которые
поступают на выход ПЧ смесителя. Фильтр ПЧ W4 пропускает сигналы в
диапазоне частот 0 – 29МГц (рисунок 13). Сигнал ПЧ усиливается усилителем
(Ку= 20дБ) промежуточной частоты Р2, работающем в полосе частот 2 – 32МГц. С
выхода УПЧ сигнал попадает на входной разъём измерителя коэффициента шума
Р3, отмеченный маркировкой →.
26
Рисунок 13 Амплитудно-частотная характеристика фильтра ПЧ
Электропитание УПЧ осуществляется от источника постоянного тока G2
напряжением плюс 12В по жгуту Г, подключаемого к штепсельному разъему Х1.
Электропитание ГШ осуществляется от блока питания ГШ G3 по жгуту В,
подключаемого к коаксиальному разъему с маркировкой ГШ.
13 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ
ВНИМАНИЕ!
При подготовке рабочего места и выполнении работы необходимо
руководствоваться правилами, изложенными в «Инструкции по технике
безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории» (ТО и ЭИ).
Изучить раздел «Указание мер безопасности» в ТО и ЭИ к каждому
прибору, входящему в установку, и руководствоваться им при работе.
14 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ
Ознакомиться с приборами по ТО и ИЭ. Включить приборы в сеть и
подготовить их к работе согласно инструкциям.
27
15 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Для того чтобы провести измерения, необходимо проделать следующее:
- установить на генераторе G1 максимальную выходную мощность, поставив
ручку УРОВЕНЬ в крайнее правое положение;
- установить на генераторе G1 частоту 12ГГц ручкой ЧАСТОТА и добиться,
вращая ручку индикаторного блока Р 1, отклика сигнала на экране ЭЛТ;
- включить генерацию мощности тумблером ГЕН.
- измерить значения коэффициента шума КШ [ед] смесителя, изменяя
частоту гетеродина через 0,5ГГц.
16 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты измерений оформить в виде таблицы и графика. Пересчитайте в
децибелы коэффициент шума по формуле
КШСМ [дБ] = 10 lg Kш [ед].
Постройте зависимость коэффициента шума смесителя от частоты
гетеродина
КШСМ [дБ] = F(f) [ГГц].
17 УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет должен содержать:
- все пункты задания;
- структурную схему лабораторной установки;
- результаты работы, представленные в виде таблицы и графика;
- выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно).
28
18 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
Дайте определение коэффициента шума устройства.
2.
Что такое диффиренциальный коэффициент шума?
3.
Что такое преобразование частоты?
4.
Какие бывают смесители?
5.
Что такое потери преобразования и из чего они складываются?
6.
Что такое коэффициент шума смесителя?
7.
Зависимость параметров смесителя от тока гетеродина.
8.
Структура небалансного смесителя и его спектр.
9.
Каковы недостатки небалансного смесителя?
10. В чём состоит модуляционный метод измерения коэффициента шума?
11. Нарисуйте
структурную
схему
модуляционного
метода
измерения
коэффициента шума.
12. Расскажите, как работает измеритель коэффициента шума Х5-11 по его
структурной схеме.
13. Опишите работу структурной схемы лабораторной установки для измерения
коэффициента шума смесителя.
14. Принцип действия приборов, входящих в лабораторную установку.
29
ЛИТЕРАТУРА
1. Перевощиков,
И.В.
Ряд
малошумящих
преобразователей
для
систем
спутниковой и наземной линии связи [Текст] / Перевощиков, И.В. Стрижаков
В.Д., Тодуа Г.В., Хрипко В.А., Шлаферов А.Л. // Вопросы радиоэлектроники.
Сер. ОВР. НИИЭИР, 2002.– Вып.1(20).– С. 71-82.
2. Микроэлектронные устройства СВЧ [Текст] / под ред.
Г.И.Веселова.– М.:
Высшая школа, 1988.– 357с.
3. Радиоприёмные устройства [Текст] / под ред. А.П.Жуковского.– М.: Высшая
школа, 1989.– 417 с.
4. Головин, О.В. Радиоприёмные устройства [Текст]/ О.В. Головин. – М.: Высшая
школа, 1987.– 428 с.
5. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. [Текст] / Л.Г.Гассанов [и др.].
– М.: Радио и связь, 1988.– 288 с.
6. Зайцев, А.Н. Измерения на сверхвысоких частотах и их метрологическое
обеспечение [Текст]/ Зайцев А.Н., Иващенко П.А., Мыльников А.В.: учеб.
пособие для средн. учеб. заведений.– М.: Изд-во стандартов, 1989.– 240 с.
30