Российский УКВ портал
Главная arrow Статьи arrow Аппаратура arrow Маленькая ЕМЕ станция с хорошими возможностями - 1296 МГц (часть 3)


Маленькая ЕМЕ станция с хорошими возможностями - 1296 МГц (часть 3)

Версия в формате PDF Версия для печати
Автор Сергей Жутяев, RW3BP   
Понедельник, 29 Март 2010

Точное измерение коэффициента шума МШУ на 1296 МГц.

Итак, во вводной части было показано, что за чувствительность на 1296 МГц стоит бороться. Реальный выигрыш может быть очень велик. Теперь обсудим, как это сделать на практике.

Первая и, в общем, очевидная мысль, которая пришла мне в голову - это наладить точные и надежные измерения коэффициента шума. Действительно, как можно улучшать какой либо параметр, если не умеешь его измерять с достаточной точностью. Мысль конечно правильная, но реализовать ее на практике оказалось ох как тяжело. Ведь желаемой точности не могут обеспечить даже прецизионные и очень дорогие приборы.

 

Немного теории

 

Подавляющее большинство измерений коэффициента шума производится Y - методом. Его еще можно было бы назвать методом двух температур. На вход приемника подключают согласованную нагрузку и измеряют уровень выходного шума при двух температурах этой нагрузки. Вернее отношение этих уровней, которое обозначается буквой Y. Пусть это температуры Tc (Tcold) и Th (Thot). Искомой величиной является шумовая температура приемника Trx. Тогда имеем:

 

Y = (Th+Trx) / (Tc+Trx) , отсюда

 

Trx = (Th - Y * Tc) / (Y - 1)

 

На практике никто обычно нагрузку не нагревает и не охлаждает. Это слишком долго. Просто в положении Thot добавляются шумы от того или иного шумового источника. Например, от диода в режиме лавинного пробоя. Хотя шум в данном случае имеет нетепловую природу, его удобно соотносить с соответствующей шумовой температурой. Этот шум Tex называют дополнительным (excess noise). Тогда Th = Tc + Tex. При стандартной методике измерений еще вводят понятие опорной температуры To = 290K. Отношение Tex/To называют ENR (exscess noise ratio). Это главный параметр стандартной шумовой головки, который приводится в ее калибровочных таблицах. Обычно головки бывают двух типов. С большим уровнем дополнительного шума, ENR = 15dB (Tex = 9000K) и с малым уровнем ENR = 5dB (Tex = 900K).

Путем несложных преобразований можно получить формулу для коэффициента шума:

 

F = ENR / (Y - 1) - Tc / To + 1

 

Если температура шумовой головки равна To (290K или 17С), то формула еще более упрощается:

 

F = ENR / (Y - 1)

 

или в децибелах:

 

NF = 10 lg (ENR / (Y - 1))

 

Теперь перейдем к самому главному. К точности и достоверности измерений. Сначала определим ту точность, которая нас может устроить. Задачу можно разделить на две части. Первое это достоверные абсолютные измерения. Второе это достоверные относительные измерения. Абсолютные измерения это всегда сложно. Тут неплохо было бы получить точность порядка 20%. К относительным измерениям требования выше. При настройке МШУ важно видеть даже небольшие изменения коэффициента шума. Реакция на вносимые изменения должна быть четкой и хорошо воспроизводимой. Иначе оптимизация МШУ может превратиться в долгое и бесполезное занятие. Желательно, чтобы относительные измерения были примерно в десять раз точнее, чем абсолютные. Конечно пока это только пожелания. Посмотрим, от чего реально зависит точность. Детально данный вопрос проанализирован в ряде статей, специально посвященных точности измерения коэффициента шума. Так, например, в ( Noise Figure Measurement Accuracy – The Y-Factor Method, Application Note 57-2, Agilent Technologies ) проанализированы погрешности, возникающие при измерении NF аппаратурой фирмы Agilent. Немного забегая вперед надо отметить, что в приведенном в статье примере точность оценена как 0.14 дБ (10K). Не очень утешительный результат. При измерении хорошего МШУ это ошибка более 100%.

Рассмотрим теперь факторы, влияющие на точность измерений. С самого начала я упростил себе жизнь - отбросил задачу измерения коэффициента усиления МШУ. И, соответственно, отбросил задачу измерения собственного коэффициента шума МШУ, за вычетом шума последующих каскадов. Во-первых, коэффициент усиления можно измерить любым другим известным способом. Во-вторых, меня мало интересует собственный коэффициент шума МШУ. Мне важен коэффициент шума всего приемника целиком. К тому же для EME требуется минимум двух каскадный МШУ. В этом случае влияние последующих каскадов можно свести к минимуму.

Итак малозначительные источники ошибок мы отбросили и теперь переходим к основным.

 

Первая группа ошибок определяется качеством шумовой головки:

 

  • точность и стабильность во времени ENR шумового источника. Как видно из формулы, ошибка в калибровке ENR напрямую (децибел в децибел) переходит в ошибку измерения NF. Здесь заключена основная проблема абсолютных измерений. Даже если все остальные ошибки свести к нулю точность измерений не может быть лучше, чем точность калибровки шумового источника. Это наш маленький эталон на рабочем столе, который является копией первичного эталона, хранящегося в Государственном метрологическом центре. В нашей стране это ВНИИФТРИ (NIST в США, NPL в Великобритании). До потребителя доходит далеко не первая копия главного эталона. Поэтому точность настольного эталона ограничена. В лучшем случае эта точность составляет 0.1...0.2дБ или 7...14K в пересчете на шумовую температуру. В радиолюбительской практике ситуация еще хуже. Даже если это фирменные шумовые головки, то сроки регулярной поверки остались в далеком прошлом. Конечно, для относительных измерений это не так важно. Там главное это стабильность ENR во времени.
  • КСВ шумового источника. Точный анализ ошибок, связанных с рассогласованием между выходом шумового источника и входом МШУ, довольно сложен. Несколько упрощенное объяснение таково. Часть мощности шума, поступающего на МШУ с шумовой головки отражается от его входа. Затем возвращается назад и повторно отражается от входа головки (на английском языке re-reflection). Эта добавка суммируется с основным шумом и вносит ошибку в измерение. Видно, что данная ошибка зависит от КСВ как шумового источника, так и входа МШУ. Конечно, надо стараться улучшить КСВ по входу МШУ, но это обычно трудно достижимо. Оптимумы согласования по КСВ и по КШ обычно не совпадают. Более того, хороший КСВ по входу МШУ желателен, но совершенно не обязателен. Здесь больше проблема не в эксплуатации МШУ, а в достоверном измерении его параметров. Поэтому основная тяжесть борьбы с данной погрешностью лежит на шумовом источнике. Надо также помнить, что ошибка, связанная с двойным переотражением зависит от фазы коэффициентов отражения. Т.е. она может, как суммироваться, так и вычитаться из конечного результата. В одном случае она ухудшает результат, в другом улучшает. В результате можно легко впасть в заблуждение и настроить МШУ на ложный оптимум. Ошибку за счет плохого КСВ можно рассчитать по следующим формулам:

 

δ(dB) = 20lg (1 + ρ 1 * ρ 2)

 

δ(dB) = 20lg (1 - ρ 1 * ρ 2)

 

ρ = (КСВ - 1) / (КСВ + 1)

 

где ρ1 это коэффициент отражения выхода шумового источника, а ρ2 это коэффициент отражения входа МШУ. Рассчитываются оба значения и берется большее из них.

Однако мне больше нравится иметь дело с шумовой температурой, а не с коэффициентом шума. После преобразования получаем ошибку в градусах Кельвина:

 

δ(K) = 2 Tс * ρ 1 * ρ 2

 

При комнатной температуре 290K,  Tc = To

Рассмотрим примеры. Сначала возьмем посредственную шумовую головку с КСВ = 1.2 и средний МШУ с КСВ = 3.0 по входу ( RL = - 6dB ). Тогда получим ошибку по коэффициенту шума 0.4дБ, что соответствует ошибке по шумовой температуре 28K. Видим, что здесь есть о чем беспокоиться. Ошибка в 2...3 раза превышает чувствительность хорошего МШУ. Возьмем хорошую шумовую головку, например HP346A. КСВ по паспорту для нашего диапазона не хуже 1.13. Тогда ошибка снизится до 0.27дБ ( 18K ). Тоже не сахар. Возьмем лучшее, что есть на рынке. Это Agilent N4000. КСВ = 1.04. Тогда ошибка будет 0.09 дБ ( 6K ). Это намного лучше, но все равно недостаточно для точного измерения NF в районе 0.2дБ. Если мы захотим ограничить эту ошибку на уровне 10%, т.е. 0.02дБ, то нам потребуется улучшить КСВ нашего МШУ до 1.3 ( RL=-18dB ). Видим, что измерения потихоньку теряют смысл. Сначала убедились, что абсолютные измерения нам недоступны. Теперь видим, что и относительные измерения под вопросом. Во первых при отработке МШУ надо все время следить за входным КСВ. Что крайне неудобно. Во вторых мы теряем возможность сравнивать два МШУ, имеющие разный КСВ по входу. Это как раз те, хотя бы относительные измерения, которые нам необходимы. И это далеко еще не все ошибки, которые нам мешают.

  • паразитная модуляция выходного сопротивления шумового источника. Это еще одна весьма коварная ошибка. Она связана с тем, что сопротивление лавинного шумового диода сильно меняется при переходе из состояния "включено" в состояние "выключено". Для ослабления этого эффекта после шумового диода всегда стоит аттенюатор. Чем больше аттенюатор, тем меньше эффект модуляции. Чем опасна эта модуляция? Дело в том, что любой усилитель реагирует на сопротивление источника сигнала. Малошумящие усилители на СВЧ полевых транзисторах особенно чувствительны к такой модуляции. Изменение сопротивления источника приводит к изменению коэффициента усиления первого каскада. Это приводит к модуляции шума на выходе МШУ, никак не связанной с ENR. Попытка настройки МШУ в таких условиях, часто заводит в очередную ловушку. Фактически происходит настройка не на минимальный коэффициент шума, а на максимальную чувствительность к паразитному эффекту. Можно легко получить аналог вечного двигателя, когда коэффициент шума доходит до нуля и даже уходит в отрицательную область. Вот почему для измерения КШ чувствительных МШУ категорически нельзя использовать напрямую шумовые головки с ENR = 15дБ. Для снижения эффекта модуляции усиления МШУ были специально выпущены источники с ENR = 5 dB. Фактически это те же 15dB головки, но с дополнительным внутренним аттенюатором 10 dB. Там эффект сильно ослаблен, хотя в особо малошумящих и плохо согласованных по входу усилителях все таки может проявляться. Головки с ENR = 15 dB тоже можно применять, но с внешним аттенюатором 10...12dB. Для сохранения калибровки ENR аттенюатор должен быть хорошего качества с измеренным коэффициентом ослабления.

    Очень подробно эффект модуляции усиления МШУ (Gain Error) проанализирован в статье Райнера DJ9BV в журнале DUBUS в начале 90х годов ( http://www.mrs.bt.co.uk/dubus/9004-2.pdf ).
  • температура шумового источника. Это ошибка очевидная. Просто не надо про нее забывать. Калибровка ENR соответствует опорной температуре To = 290K. Если измерения проводятся при другой температуре, то это надо учитывать. В соответствии с приведенной выше формулой (F = ENR / (Y - 1) - Tc / To + 1) , где Tc это и есть физическая температура источника шума. Современные шумовые головки снабжены температурным датчиком, и поправка вводится автоматически.

 

На этом с ошибками шумового источника закончим и перейдем к остальной измерительной системе.

 

Вторая группа ошибок в основном связана с точностью измерения Y.

 

  • ошибка, связанная со статистическим характером шума. Как известно шум - это результат суммирования огромного количества независимых событий. Измерение уровня шума требует усреднения после детектирования. Чем точнее хотим получить результат, тем большее количество независимых событий надо продетектировать и усреднить. Количество таких событий пропорционально полосе частот, в которой мы детектируем шум и, конечно, пропорционально времени. При этом действует правило, характерное для некогеррентного суммирования. Точность пропорциональна корню квадратному из числа событий. Для увеличения точности в два раза надо либо расширить полосу в четыре раза, либо в четыре раза увеличить время усреднения. В фирменных измерителях коэффициента шума используется полоса частот шириной в 4 МГц. Это позволяет сократить время измерения. Для достижения точности порядка 0.05 дБ требуется несколько секунд.
  • ошибка, связанная с нелинейностью измерительного тракта. Эта ошибка связана как с нелинейностью усилителей, предшествующих детектору, так и нелинейностью самого детектора. Мне здесь трудно что-либо добавить, т.к. этим вопросом я специально не занимался, а использовал для измерений анализатор спектра. Впрочем, общий принцип понятен. При прочих равных линейность тем выше, чем меньший участок характеристики мы используем. Лишний уровень шума здесь не нужен. ENR шумового источника должен быть поменьше. По крайней мере, не больше чем 5 дБ.

Если брать фирменные измерители, то общая ошибка, связанная с точностью измерения Y оценивается производителем в 0.05 дБ.

 

Промежуточные выводы:

 

Итак, все основные источники ошибок мы рассмотрели. Выводы в общем печальные. Даже самый прецизионный, а, следовательно, и самый дорогой прибор не обеспечивает точность, достаточную для измерений коэффициента шума в интересующем нас диапазоне. Т.е. в районе 0.15 дБ. Эта проблема остро встала передо мной два с половиной года назад и заставила искать обходной путь. Хотя путь в принципе известен. При такой чувствительности надо переходить на измерения с криогенной нагрузкой. В чем главная проблема стандартного измерителя. Проблема в том, что шумовая температура современных малошумящих усилителей даже без охлаждения достигла уровня криогенных температур. А измерения приходится проводить шумовым источником, имеющим температуру около 300K. Предположим, например, что мы хотим измерить чувствительность МШУ, имеющего шумовую температуру в районе 15K (NF = 0.21dB). Причем хотим это сделать с точностью 20%. Это соответствует ошибке плюс минус 3K. Измерения проводим с помощью шумового источника, имеющего комнатную температуру в районе 300K. Но при этом ошибка в 3K это уже не 20%, а всего лишь 1%. Запредельная точность, требующая суперпрецизионных измерений.

 

Шумовые измерения с охлажденной нагрузкой.

 

Посмотрим теперь, что может дать охлажденная нагрузка для повышения точности измерений. Рассмотрим для примера вариант охлаждения жидким азотом. Это соответствует температуре 78K. Таким образом, речь идет о снижении температуры по сравнению с комнатной примерно в 3.7 раза. Пройдемся по ошибкам, которые описаны выше:

- точность и стабильность во времени ENR шумового источника: Это отдельный вопрос, пока его не рассматриваем.

- КСВ шумового источника: Ошибка за счет рассогласования в процентном выражении не меняется, но в абсолютном выражении снижается в 3.7 раза (Tc = To / 3.7). Для получения одной и той же точности требования к качеству согласования заметно снижаются.

- паразитная модуляция выходного сопротивления шумового источника: Здесь выигрыш еще больше. Во-первых, также как и в предыдущем пункте, при одном и том же проценте паразитной модуляции усиления МШУ абсолютное значение ошибки, снизится в 3.7раза. Во-вторых, для измерений потребуется в 3.7 раза меньший уровень дополнительного шума (excess noise). Добавочное ослабление в 3.7 раза приведет к еще большей стабилизации выходного сопротивления шумового источника.

- ошибка, связанная со статистическим характером шума: Здесь тоже имеем выигрыш. Ошибка в процентном выражении остается прежней, а в абсолютном выражении снижается в 3.7 раза. Соответственно при одной и той же точности можно сократить время усреднения в 13.7 раза (3.7 в квадрате).

- ошибка, связанная с нелинейностью измерительного тракта: здесь та же закономерность. Ошибка в процентном выражении остается прежней, а в абсолютном выражении снижается в 3.7 раза.

Вывод: Применение охлажденной нагрузкой это очень эффективный способ повышения точности измерений коэффициента шума МШУ.

 

Практическая реализация холодной нагрузки.

 

После того, как стало ясно, что без снижения температуры генератора шума не обойтись, возник вопрос как это сделать. Классический вариант - это охлаждение согласованной нагрузки жидким азотом. Принцип понятен, только вот реализовать его непросто. Особенно так, чтобы с таким агрегатом удобно было работать. Взять хотя бы высокочастотный тракт. Это резистор 50 Ом, согласованный с коаксиальной линией. На выходе линии высокочастотный разъем. Резистор должен быть не абы, какой. Во-первых, он должен правильно работать при температуре 78K. Во-вторых, он должен выдерживать многократное и очень серьезное термоциклирование от комнатной температуры до температуры кипения жидкого азота. Это же относится и к остальным элементам конструкции, контактирующим с жидким азотом. Выходной разъем должен иметь стабильную комнатную температуру, а не представлять собой заледеневшую сосульку. Поэтому на выходе кабеля обычно необходим подогреватель с термостатом. Соединительная коаксиальная линия тоже непростая. Во-первых, все ее участки нагреты до разной температуры. При этом должен сохраняться хороший КСВ. Во-вторых, линия должна иметь минимальные потери, т. к. эти потери генерируют дополнительный тепловой шум и повышают шумовую температуру нагрузки. В-третьих, теплопроводность линии должна быть минимальной, чтобы уменьшить тепловые потери и устранить ненужный подогрев охлажденной нагрузки. Сам я такой агрегат не делал, поэтому наверняка забыл еще какие либо технологические проблемы. Но даже если решить все эти проблемы или, например, достать где-либо готовую фирменную нагрузку, возникает еще одна задача. Надо где-то регулярно доставать или покупать жидкий азот. То, что приемлемо в условиях НИИ, в домашних условиях превращается в сплошную канитель. К сожалению, без жидкого азота получить криогенные температуры невозможно. Элементы Пельтье позволяют понизить температуру только на несколько десятков градусов. "Сухой лёд" - твёрдая двуокись углерода (CO2) - это всего лишь -79С. Канители тоже много, а выигрыш по точности измерений всего в полтора раза. Еще есть криокулеры замкнутого цикла, но это дорогое удовольствие. Конечно, у охлаждения жидким азотом есть одно очень важное достоинство - привязка температуры к известному значению. Это важно для калибровки шумовой температуры измерительной нагрузки. Но здесь тоже не все просто. Во-первых, хорошо известна температура кипения чистого жидкого азота. Технический жидкий азот может иметь значительный процент кислорода в своем составе, что может соответственно изменить температуру кипения смеси. Второе - это потери в соединительной линии и разъеме. В результате мы имеем на выходе не 78K, а скажем 85K. Причем точно измерить или рассчитать эту добавку чрезвычайно трудно.

 

К счастью есть еще один способ реализации холодной нагрузки. С помощью антенны, направленной на холодный участок неба. Именно по этому пути я и решил пойти. Известно, что если взять идеальную антенну (имеющую только главный лепесток и КПД = 1), то на выходных зажимах антенны будет шумовая температура, точно соответствующая шумовой температуре наблюдаемого участка неба. Реальная антенна всегда несколько хуже. Есть паразитные лепестки в диаграмме направленности. Есть хотя бы небольшие потери. Все это ухудшает шумовую температуру. В условиях города еще добавляются многочисленные помехи, поэтому требования к диаграмме направленности очень высоки.

Наилучшей антенной для подобной цели, конечно, является рупор. Даже обычный пирамидальный рупор всегда считался малошумящей антенной. Если же это двухмодовый оптимизированный рупор, то результат намного лучше. Тут мне неоценимую поддержку оказал Дмитрий RA3AQ. Он сумел рассчитать рупор с удивительно чистой диаграммой направленности (Рис 3.1 - 3.2).

 

Could_horn_ra3aq
Рис 3.1

 

Could horn RA3AQ pattern
Рис 3.2
 

 

Оставалось проверить идею на практике. Помочь в изготовлении и установке рупора попросил племянника. И вот, наконец, свершилось, рупор висит на стене (Рис 3.3).

 

Could horn 23cm
Рис 3.3
Для устранения вредных переотражений сам рупор немного приподнят над уровнем крыши. Для снижения потерь часть высокочастотного тракта выполнена в виде круглого волновода, диаметром 164мм. Далее переход на коаксиальный кабель, который через отверстие в стене попадает прямо на рабочий стол. Кабель с низкими потерями 7/8 дюйма. Переход сделан без разъема. В качестве зонда служит центральный проводник кабеля - медная трубка, диаметром около 9мм. Длина зонда 51мм. Расстояние до стенки 81мм. На другом конце кабеля расположен самодельный направленный ответвитель и разъем типа N. Сначала коэффициент ответвления был великоват. Затем сдвинул разъемы и укоротил связанную линию. Сейчас коэффициент ответвления равен -27дБ. К разъему N добавлен адаптер для перехода на папу SMA. Схема тракта показана на Рис 3.4

 

Измерительная установка
Рис. 3.4
 

 

Некоторые подробности конструкции видны на картинках Рис 3.5...3.8.

 

Could horn probe 23cm 7/16
Рис 3.5

 

Could horn 23cm wall in
Рис 3.6

 

Could horn 23cm test probe
Рис 3.7

 

Could horn 23cm noise input
Рис 3.8

 

Уже первые измерения порадовали. Однако потребовалось некоторое время для проверки и уточнений. В результате оказалось, что в хороших условиях шумовая температура на выходном разъеме типа SMA составляет примерно 14K. Хорошие условия - это в зените над рупором холодный участок звездного неба и нет дополнительных помех.

 

Noise measurement with could horn 23cm
Рис 3.9
 

 

На Рис 3.9 показаны изменения шумовой температуры, вызванные вращением Земли. Максимум соответствует прохождению в районе зенита мощного источника Cassiopeia-A. Пологий участок это движение вдоль Млечного пути. Видны также непродолжительные и плавные подъемы шума, вызванные пролетом какого то спутника с периодичностью 26 часов. Более резкие всплески это помехи от наземных источников. Чтобы уйти от помех пришлось немного сдвинуть измерения по частоте. Сейчас я измеряю на частоте 1292.5 МГц. Впрочем, с учетом широкополосности МШУ, это не приводит к заметным ошибкам. Суточные вариации шумовой температуры можно избежать, если навести рупор на Полярную звезду (или, например, переехать с рупором на Северный полюс). Впрочем здесь могут появиться свои неприятности. Во-первых, соседи поймут, что это совсем не вентиляционная труба и начнут мучиться в страшных догадках. Во-вторых, уменьшится ослабление помех, приходящих с горизонта. В-третьих, увеличится путь волны в атмосфере. Пока я влияние атмосферы на стабильность измерений не замечал, но при наклоне рупора это влияние может увеличиться. Особенно в южных широтах.

Впрочем, все это мелкие проблемы, к которым легко приспособиться. Главное это выигрыш по температуре шумового источника. Причем выигрыш составляет не 3.7 раза, как для жидкого азота, а целых 20 раз.

 

"Холодный" рупор обеспечил кардинальный выигрыш в точности измерений (в 20 раз)!

 

Это дает следующие преимущества:

- можно полностью забыть про ошибку, вызванную модуляцией КСВ источника (Gain Error).

- при хорошем КСВ на измерительном разъеме (скажем КСВ=1.05, что легко достижимо в нашем узком диапазоне) можно также забыть об ошибках, связанных с рассогласованием по входу МШУ. Действительно, при КСВ=3 по входу МШУ ошибка за счет рассогласования будет при этом всего 0.35K ( 0.005дБ).

- можно в 20 раз повысить точность или в 400 раз сократить время измерения отношения шумовых сигналов Y. Это позволяет проводить быстрые и точные измерения коэффициента шума.

 

Впрочем, на этом достоинства не заканчиваются. Очень полезно то, что настройка и измерение МШУ проводится в условиях, близких к реальным. Очень часто МШУ, прекрасно работающий с широкополосной согласованной нагрузкой по входу (стандартной шумовой головкой), теряет устойчивость с реальной антенной. Приходится или закладывать большой запас устойчивости за счет ухудшения шумовых параметров. Либо многократно проводить трудоемкую проверку на антенне. Мой опыт показывает, что МШУ, устойчивый с измерительным рупором, всегда устойчив с реальным облучателем.

Пока мы говорили про относительные измерения. Действительно надежные относительные измерения особенно важны при оптимизации МШУ. Там приходится двигаться мелкими шажками и очень важно не ошибиться в направлении движения. В этом смысле обычные измерения при комнатной температуре богаты всякими ловушками и ложными настройками. Очень важна возможность корректного сравнения МШУ с разным КСВ по входу. В частности это позволяет иметь один или два "эталонных" МШУ и использовать их для калибровки системы. Качественно изготовленный МШУ хорошо сохраняет свои параметры в течение длительного времени. Это важно т к шумовая температура рупора меняется во времени и периодическая калибровка необходима. Особенно если мы ловим тысячные доли децибела. Итак, я изначально рассчитывал только на относительные измерения в надежде откалибровать систему по заведомо правильно померенному МШУ. Это потом пришло понимание, что взять такой МШУ практически негде. Зато стало ясно, что абсолютные оценки тоже возможны. Причем точность этих оценок вполне может конкурировать с точностью измерений на фирменной аппаратуре. Посмотрим, как это можно сделать.

Единственное абсолютное измерение, которое доступно с хорошей точностью - это измерение отношения шумовых сигналов для двух случаев. Первый, когда на вход МШУ подключена рупорная антенна Ta. Второй, когда подключена согласованная нагрузка, имеющая комнатную температуру To. Тогда имеем:

 

Y = (To + Trx) / (Ta + Trx)

 

Если Y известно, то после преобразования получим:

 

Trx = To / (Y-1) - Ta * Y / (Y-1)

 

Однозначного решения для Trx формула не дает, т.к. температура Ta нам тоже неизвестна. Однако пределы, в которых может лежать значение Ta оценить можно. Главное, что надо оценить, это минимальный предел значения Ta. В соответствии с формулой это даст максимальный предел значения шумовой температуры приемника. Если реальная шумовая температура рупора окажется выше, то это только улучшит результаты измерений. Поэтому температуру рупора будем оценивать по минимуму.

Просуммируем то, что знаем практически наверняка. Кабель 5K, направленный ответвитель 0.5K, выходной разъем и адаптер N/SMA 1.5K, волновод 1K, пластиковая крышка рупора и сам рупор 0.5K, шум атмосферы 1.5K, космический шум 4К. Всего получаем 14K. Здесь данные по потерям в кабеле взяты из справочника и подтверждены собственными измерениями на больших кусках. Космический шум и шум атмосферы тоже из надежных источников. Шум ответвителя тоже берем по минимуму - это комнатная температура генератора шума поделенная на коэффициент ответвления. Потери в волноводе тоже из справочника. Адаптер промерял сам. В общем, существенных ошибок не видно и Ta может быть только больше этого значения. Если меньше, то буквально на один градус. Рассмотрим теперь конкретный пример. Измерения одного из лучших моих экземпляров МШУ дали следующий результат. Y = 11.32dB (13.55 раза). Комнатная температура 295K. Подставим эти значения в формулу:

 

Trx = 23.5K - Ta * 1.08

 

Для Ta = 14K получается

 

Trx = 8.4K, или NF = 0.12dB.

 

Оценим возможные ошибки. Ошибка измерения комнатной температуры невелика. Из формулы видно, что она делится на (Y-1). Значит при точности измерения комнатной температуры два градуса это даст ошибку 0.16K. Ошибку на рассогласование при замене рупора на 50 Ом нагрузку посчитаем по формуле приведенной выше. δ(K) = 2 Tс * ρ 1 * ρ 2. Измеренное значение КСВ в обоих случаях не превышало 1.06. Для данного МШУ имеем входной КСВ = 2 . Тогда

 

δ(K) = 2 * 14K * 0.03 * 0.33 = 0.28K

 

Инструментальная ошибка измерения шумового отношения Y равна примерно 0.1 дБ, что после подстановки в формулу даст ошибку 0.5K. В результате суммарная ошибка имеет величину порядка 1K. Прибавим к этому 1K из оценки Ta и получим общую ошибку порядка 2K. А это уже значительно лучше любого, даже самого прецизионного измерителя коэффициента шума, измеряющего при комнатной температуре. Результат настолько хороший, что я долго не мог поверить в его достоверность. Многократно проверял и перепроверял. Впрочем последующие измерения шума Солнца подтвердили полученный результат. Таким образом для рассмотренного примера в итоге имеем:

 

Trx = (8.4 + 2) K, или NF = (0.12 + 0.03) dB.

 

Это в самом худшем случае.

Рассмотрим остальную часть установки. Источник шума заводского изготовления. М31305-1. Год выпуска 1981. Дает больше 30дб СПМШ (ENR). Далее аттенюатор 13дБ и направленный ответвитель 27дБ. Итого 40дБ. В результате добавочный шум на выходном разъеме составляет 80K. Имеется генератор, который включает добавочный шум с периодом около 1 секунды. Почти все МШУ, с которыми я работаю имеют входной разъем "мама" SMA. Поэтому на выходе стоит переходник с N на "папу" SMA. С выхода МШУ шум поступает на вход анализатора спектра FSH6. Для нормальной работы анализатора нужно три каскада усиления. Поэтому после МШУ нужен дополнительный усилитель. Однокаскадный при измерении двухкаскадного МШУ и двухкаскадный для однокаскадного МШУ. Анализатор работает при полосе пропускания 1 МГц с RMS детектором. После каждого прохода (обычно 5с) результат измерений передается на компьютер. Там автоматически определяются оба уровня шума и производятся необходимые вычисления. На экран выводится измеренный коэффициент шума в децибелах с точностью три знака после запятой. Имеется возможность корректировки шумовой температуры рупора при калибровке системы по "эталонному" МШУ. Также имеется режим панорамного измерения коэффициента шума в полосе частот. К сожалению, данная программа написана только под конкретный тип анализатора спектра и интереса для широкой общественности не представляет. Видно, что в данной части, каких либо интересных идей нет. Конечно, анализатор спектра сэкономил мне кучу времени. Освободил меня от необходимости изобретать что-то свое.

 

 

 

Последнее обновление ( Понедельник, 01 Август 2011 )
 

У Вас недостаточно прав для добавления комментариев.
Возможно, Вам необходимо зарегистрироваться на сайте.