Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные характеристики болометра и боло метрического смесителя 12
1,1. Болометр 12
1.2. Болометрический смеситель 23
1.3. Шумы болометра 29
Глава 2. Расчет основных характеристик болометра и болометрического смесителя 37
2.1. Болометр как элемент электрической цепи 37
2.2. Коэффициент передачи болометрического смесителя ...42
2.3. Теоретический спектр шума болометра 60
2.4. Коэффициент шума болометрического смесителя 73
Основные результаты и выводы 79
Глава 3. Экспершм1талш0е исследование основных характеристик болометра 83
3.1. Методика измерения шумов болометра 83
3.2. Результаты экспершлентального исследования шумов...95
3.2.1. Предварительные результаты 96
3.2.2. Конструкции болометров 99
3.2.3. Роль контактов между нитью и выводами 100
3.2.4. Зависимость шума от длины нити 104
3.2.5. Шум болометра, обусловленный флуктуационными отклонениями нити 106
3.2.6. О фяуктуациях температуры болометра. Зависимость шума от тока , 115
3.2.7. Зависимость шума от давления воздуха 121
3.2.8. Зависимость шума от размеров области газовой среды 123
3 3.2.9. О конвекции 125
3.2.10. Выходное сопротивление болометра для шумов 127
3.2.11. Практические рекомендации 129
3.3. Малошумящий болометр 129
3.4. Частотная характеристика 134
3.5. Эквивалентные тепловые параметры 141
3.6. Мощностныи параметр болометра 149
3.7. Температурный коэффициент сопротивления 155
Основные результаты и выводы 160
Глава 4. Входной преобразователь частоты измерительного приемника 165
4.1. Балансный болометрический смеситель на диапазон частот 1-100 МГц 165
4.1.1. Высокочастотная часть смесителя 165
4.1.2. Низкочастотная часть смесителя 170
4.1.3. Коэффициент передачи 174
4.1.4. Шумы смесителя 177
4.1.5. Коэффициент шума 181
4.1.6. Схема смесителя и характеристики 182
4.1.7. Шум болометра в смесителе 189
4.1.8. Чувствительность смесителя 190
4.2. Динамический диапазон измерительного приемника 192
4.2.1. Погрешности измерения ослабления, обусловленные шумом 196
4.2.2. Динамический диапазон 202
Основные результаты и выводы 206
Заключение.
Основные результаты и выводе 209
Литература 211
Приложение
- Болометрический смеситель
- Коэффициент передачи болометрического смесителя
- Малошумящий болометр
- Динамический диапазон измерительного приемника
Введение к работе
В связи с созданием средств высшей точности в области измерения ослаблений возникла необходимость разработки измерителя больших ослаблений (от 0 до 100 дБ) с точностью измерений, превышающей в несколько раз точность серийно выпускаемых средств. Точность измерений определяется, в основном, точностью используемой меры и динамическим диапазоном измерителя.
Наибольшую точность имеют измерители ослабления, в которых измеряемое ослабление на высокой частоте (ВЧ) сравнивается с ослаблением меры на промежуточной частоте (ІШ). В настоящее время в качестве мер ослабления успешно используются резистивные аттенюаторы [і]. Чтобы свести к минимуму погрешность измерений, обусловленную мерой, аттестуемой с высокой точностью на постоянном токе, используют низкие промежуточные частоты (десятки герц).
В случае низких промежуточных частот наибольший динамический диапазон обеспечивает смеситель [z\ на проволочном болометре, так как проволочный болометр, во-первых, имеет больший по сравнению с полупроводниковым диодом диапазон квадратичности [зі, во-вторых, смеситель с проволочным болометром имеет высокую чувствительность (пороговую) [2, 4, б].
Благодаря высокой чувствительности и большому динамическому диапазону, проволочные болометрические смесители давно применяются на СВЧ при точных измерениях ослабления и фазового сдвига [б], в ЭПР-спектроскопии [7lt при измерении спектров амплитудных шумов генераторов вблизи несущей І5І. Важным достоинством болометров является возможность применения их в большом диапазоне рабочих частот (от постоянного тока до оптического диапазона), что связано с тепловым принципом действия болометра. Широко используемые платиновые проволочные болометры отличаются долго - 7 временной стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Сравнительная простота конструкции позволяет изготавливать проволочные болометры с близкими характеристиками, что необходимо при построении балансных схем, а также изготавливать болометры с заданным сопротивлением, что облегчает согласование их с измерительным трактом.
В качестве количественной меры пороговой чувствительности смесителя удобно использовать спектральную плотность мощности его шума, приведенного ко входу. Для ее теоретической оценки в случае проволочного болометрического смесителя получено значение ІСГ1 Вт/Гц І2І. При расчете учитывались только тепловой шум болометра и шум, обусловленный флуктуациями его температуры. Чувствительность теплового приемника, определяемую тепловым шумом и флуктуациями температуры, называют [ 81 предельной. Согласно [4, 5, 8], проволочный болометр, в отличие от других нелинейных элементов (в том числе металлических пленочных [8І и полупроводниковых [8, 9І болометров), не должен иметь на низких частотах избыточного шума. То есть в смесителе на основе проволочного болометра должна реализоваться предельная чувствительность. Однако реальная чувствительность оказалась ниже расчетной более чем на порядок [ю]. Таким образом, увеличение динамического диапазона измерителя ослаблений возможно за счет повышения чувствительности смесителя до ее предельного значения. Для этого необходимо исследовать факторы, ухудшающие чувствительность, и найти пути ее повышения. Необходимо также уточнить само значение предельной чувствительности болометрического смесителя. Основными характеристиками смесителя, определяющими его чувствительность, являются низкочастотный (НЧ) шум и коэффициент передачи.
В известных работах по теоретическому и экспериментальному исследованиям шумов болометра не имеется однозначных сведений (см.гл.I) о величине шума на низких частотах, о зависимости величины шума от конструктивных особенностей болометра, о величине выходного сопротивления болометра для его НЧ шума.
Рассмотрение коэффициента передачи болометрического смесителя, проведенное в известных работах (см.гл.1), не имеет необходимой для разработки смесителя и исследования его предельных возможностей степени общности. В них анализируется коэффициент передачи только "последовательной" эквивалентной схемы смесителя. В результатах расчетов имеются отдельные неточности.
Таким образом, исследования характеристик болометрического смесителя и его нелинейного элемента - проволочного болометра -с целью повышения чувствительности смесителя и увеличения динамического диапазона измерителя ослаблений являются необходимыми и своевременными.
Целью работы является разработка проволочного болометрического смесителя, предназначенного для применения в качестве входного преобразователя частоты супергетеродинного измерителя ослаблений на диапазон частот ниже 100 МГц, с чувствительностью смесителя, близкой к предельной (при нормальной температуре). Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
- сравниваются по величине коэффициента передачи различные эквивалентные схемы простого смесителя с одним болометром;
- рассчитывается предельная чувствительность болометрического смесителя;
- экспериментально исследуется НЧ шум проволочного болометра и выявляются факторы, влияющие на его величину;
- осуществляется экспериментальная проверка тепловой модели болометра, положенной в основу описания его динамических (частотных) и шумовых свойств, и оценивается точность определения его параметров, необходимых при расчете основных характеристик боло - 9 метрического смесителя;
- разрабатывается малошумящий болометр с уровнем НЧ шума, близким к теоретическому пределу;
- разрабатывается широкополосный балансный болометрический смеситель, имеющий степень подавления шума гетеродина, достаточную для реализации той чувствительности смесителя, которую позволяет получить использование в нем малошумящего болометра.
В диссертации рассмотрены "последовательная", "параллельная" и "раздельная" эквивалентные схемы смесителей, отличающиеся способами подключения к болометру эквивалентных источника сигнала и гетеродина. Сравнение этих схем показало преимущества "раздельной" схемы - имеющей наибольший коэффициент передачи при оптимальных значениях ее параметров. "Раздельная" схема реализована в разработанном и описанном в диссертации балансном болометрическом смесителе.
В диссертации на основе результатов экспериментальных исследований показано, что уровень НЧ шума проволочного болометра в общем случае существенно выше теоретического, то есть в нем имеется избыточный шум, Установлено, что величина избыточного шума в значительной степени зависит от конструктивных особенностей болометра. На основе проведенных исследований даны рекомендации по выбору конструкции болометра с минимальным уровнем избыточного шума и разработан малошумящий болометр (для диапазона частот ниже 100 МГц), уровень шума которого снижен практически до предела, определяемого теорией.
Для описания болометра используют тепловую модель в виде сосредоточенной тепловой системы, характеризуемой не зависящими от частоты параметрами - теплоемкостью и коэффициентом теплообмена. В диссертации на основе исследования зависимости эквивалентных тепловых параметров болометров от частоты выполнена проверка этой модели, позволяющая решить вопрос о ее применимости к конкретным конструкциям болометров и оценить погрешность определения характеристик болометра и болометрического смесителя, обусловленную приближенным характером модели.
Известно, что с приближением к "несущей" амплитудные шумы генераторов возрастают. Поэтому в смесителях с низкими промежуточными частотами для получения высокой чувствительности необходимо обеспечивать высокую степень подавления преобразованных на его выход шумов гетеродина. В работах [2, 5-7] приведены рекомендации по конструированию болометров и болометрических смесителей СШ диапазона. В диапазоне частот ниже 100 МГц болометрические смесители ранее не применялись, описание их конструкций и параметров отсутствовало. В диссертации описан балансный болометрический смеситель этого диапазона, позволяющий реализовать предельные возможности болометра, и приведены результаты исследования его характеристик.
Большинство выводов в работе, в том числе выносимые на защиту основные положения, сформулированы на основе результатов экспериментальных исследований, выполненных на болометрах из платиновой проволоки (нити) диаметром 1,5 мкм, находящейся в воздухе, имеющем нормальные температуру и давление.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Приведенная к единице длины нити спектральная плотность шумового напряжения болометра на частоте 10 1ц уменьшается в 30 раз при уменьшении длины нити с 4 до 0,3 мм.
2. Спектральная плотность шума разработанного болометра снижена до значения, не более чем в 1,3 раза превышающего теоретически возможное.
3. Чувствительность разработанного широкополосного (І-ІООМІц) входного преобразователя частоты на основе малошумящего болометра близка к предельной. Она определяется собственным шумом болометра и составляет 1,1 10 Вт/Гц.
Болометрический смеситель
В мгновенной мощности суммы двух БЧ токов, имеющих частоты си і жсог, присутствует переменная составляющая с разностной частотой со — и){-со2(мощность биений). Если два таких тока пропустить через болометр, то за счет мощности биений с той же частотой будут изменяться температура и, следовательно, сопротивление болометра. За счет протекающего через болометр постоянного тока эти изменения сопротивления преобразуются в переменное напряжение и , имеющее разностную частоту со . Таким образом, болометр может быть использован в качестве смесителя (преобразователя частоты) [2], основанного на тепловом принципе. Особенностью болометрического смесителя является низкое значение используемых в нем промежуточных частот (при его чрезвычайной широкополостности по входу), что обусловлено тепловой инерционностью болометра. Основными характеристиками смесителя, определяющими его чувствительность, являются коэффициент передачи смесителя и НЧ собственные шумы используемого в нем нелинейного элемента, попадающие в полосу частот усилителя промежуточной частоты. Исследованию коэффициента передачи болометрического смесителя и некоторых его характеристик посвящены работы [2, 5, 14, 22 - 25], в которых рассматривается коэффициент передачи для"последовательной" эквивалентной схемы смесителя -с источником сигнала и гетеродином, включенными последовательно с болометром (см.рис.4а в Гл.2).
Обычно смесители характеризуют коэффициентом передачи по мощности р где Рн U/2RH - мощность сигнала промежуточной частоты (с амплитудой напряжения U) на нагрузке РН ,РС- мощность Ш сигнала на болометре.
Иногда применяют коэффициент передачи по напряжению напряжения ВЧ сигнала на болометре.
Введем ряд параметров, использование которых позволит проанализировать результаты различных работ с единых позиций. Коэффициент передачи болометрического смесителя зависит от: а) соотношения между мощностями постоянного тока ( Р0 ) и гетеродина (Рг ) на болометре, которое будем характеризовать параметром т s h . (1#33) б) параметра /с, характеризующего степень согласования ис точника ВЧ сигнала со смесителем; в) параметра Г , характеризующего степень связи болометра с гетеродином, которая в общем случае зависит от внутренних сопротивлений как гетеродина (Рг), так и источника Ш сигнала (Rc ). В известных работах различия между параметрами Г и Гс не делают, поскольку рассматривают "последовательную" эквива лентную схему с общим внутренним сопротивлением R — Rc+Rz для обоих источников. Для нее параметр Г имеет вид: г) соотношения между внутренними сопротивлениями источника ВЧ сигнала и гетеродина, которое будем характеризовать пара д) внутреннего сопротивления/?,, источника постоянного тока и сопротивления нагрузки RH на выходе смесителя. Их совмест ное влияние можно охарактеризовать одним параметром/ (1.3), который в крайних случаях : H7?J - принимает соответ ственно значения: Рассмотренные параметры будем называть внешними параметрами смесителя, в отличие от собственных параметров болометра (например, Н и т0), являющихся внутренними.
В известных работах проводится оптимизация внешних параметров (всех или части), исходя из требования максимума коэффициента передачи смесителя. Можно показать, что при тех условиях, при которых коэффициент передачи смесителя максимален, мощность и напряжение на выходе смесителя, вообще говоря, не являются максимально возможными при заданных номинальной (располагаемой) мощности Рс и ъ.д.о.Ес источника сигнала. Поэтому, когда интерес представляют предельные возможности смесителя по передаче им номинальной мощности или э.д.с, источника сигнала, оптимизацию параметров смесителя необходимо проводить по максимумам коэффициентов передачи, определенных относительноРс ис:
В большинстве работ рассматривается коэффициент передачи КР (или потери преобразования/// ). Исключение составляет работа Г23], в которой рассмотрен коэффициент передачи Кр , и работы Гб, 22І, рассматривающие коэффициент передачи, совпадающий по смыслу с Ки . Наиболее общие выражения, полученные для коэффициента передачи/ ,, имеют вид (при использовании наших параметров и ОбОЗНа-ЧеНИЙ):
Коэффициент передачи болометрического смесителя
По способу подачи на болометр ВЧ мощностей сигнала и гетеродина схемы смесителей можно разделить на три вида [38] в соответствии с эквивалентными схемами их ВЧ частей, приведенными на рис.4: I)"последовательную" схему, в которой источник сигнала и гетеродин, имеющие соответственно э.д.с. ес и 9г и внутренние сопротивления Rc и Rz , включены последовательно с болометром ( R ) (рис.4а); 2) "параллельную" схему, в кото-рои источник сигнала и гетеродин включены параллельно болометру (рис.46), и 3) "раздельную" схему, в которой цепи источника сигнала и гетеродина развязаны между собой (рис.4в). Для НЧ части смесителя будем использовать эквивалентную схему, приведенную на рис.3, положив в ней6„ = 0 и считая сопротивление RH нагрузкой смесителя по промежуточной частоте. Предполагается, что ВЧ и НЧ части смесителя взаимо развязаны, т.е. ВЧ мощность не попадает в НЧ часть смесителя и - наоборот. На рис.4 Єс Есса$шсі , ez = Ez cosco2t ; Lc и Lz - мгновенные значения токов через болометр, вызванных в нем источником сигнала ес и гетеродином ег , соответственно.
При определении токов іс ж 1г будем считать, что сопротивление болометраR=R0(l+o(6)является заданной функцией переменной составляющей и температуры болометра при неизвестном пока явном виде и , то есть будем рассматривать болометр как линейный элемент с переменным параметром. Применив принцип суперпозиции, справедливый для такого элемента, получим, опуская члены второго и более высоких порядков малости относительно dи,
Значения амплитуд /с и /г ВЧ токов сигнала и гетеродина и параметров к, и к для трех рассматриваемых схем приведены в табл.1.
Подставив выражения (2.17), (2.18) и 2.6) для токов через болометр в выражение для мгновенной суммарной мощности на боло и оставив из переменных членов только те, которые изменяются с разностной частотой ш = и)с-сог f получим в приближении малого сигнала {РС Р ,с(в«1): где - средние мощности (на болометре) постоянного тока, ВЧ сигнала и гетеродина,соответственно; - параметр, характеризующий степень связи болометра с ВЧ час тью его схемы включения. Выражения для Г, соответствующие трем рассматриваемым схемам, приведены в табл.1. Там же приведены выражения для параметра Гс , характеризующего степень согласо вания источника сигнала ес со входом смесителя. (Под входом смесителя подразумевается вход той части его ВЧ эквивалентной схемы, которая расположена справа от внутреннего сопротивления Rc источника сигнала; при этом внутреннее сопротивление л г гетеродина оказывается включенным в состав смесителя).
Из (2.20) для постоянной и переменной составляющих Рио мощности р на болометре имеем:
Последний член в выражении (2.24) представляет собой переменную составляющую первичной мощности на болометре, получающуюся при совместном воздействии на него токов сигнала и гетеродина. Амплитуда изменения первичной мощности есть
Первый член (с круглыми скобками) в (2.24) представляет собой изменение мощностей постоянного тока и гетеродина на болометре, обусловленное электротермическим взаимодействием и являющееся вторичным эффектом действия первичной мощности.
Подставив выражение (2.24) в уравнение теплового баланса (1.6) и сравнив его после этого с (I.II), найдем, что динамический коэффициент теплообмена в случае болометрического смесителя имеет вид: а постоянная времени (I.I3) болометрического смесителя равна
Полученные выражения отличаются от известных тем, что в них учтены как сопротивление Ru источника постоянного тока, так и сопротивление RH нагрузки на выходе смесителя, входящие в IQ . Подставив (2.25), (2.26) и (2.27) в (I.I5), получим выражение для комплексной амплитуды U напряжения промежуточной частоты оо на болометре (или на нагрузке RH ):
Применение к последнему выражению теоремы Тевенена позволяет представить смеситель на промежуточной частоте в виде экви-валентного источника (рис.5а) с э.д.с. Еэ (комплексная амплитуда) и внутренним сопротивлением Z 6/x, имеющими вид
От этой эквивалентной схемы можно перейти к другой (рис.56), в которой выделены эквивалентные параметры собственно болометра в режиме смесителя, не зависящие в отличие от первой схемы от параметра Г0 (или сопротивления Ru ) низкочастотной схемы включения болометра: комплексное динамическое сопротивление болометра, переходящее на низких частотах (а -с« і) в чисто активное динамическое сопротивление
Эквивалентная схема, соответствующая случаю низких частот, приведена на рис.бг, где e—Ecostut- э.д.с. эквивалентного источника сигнала промежуточной частоты, имеющая амплитуду От эквивалентной схемы, представленной на рис.56, можно перейти к схеме с не зависящими от частоты эквивалентными параметрами (рис.бв):
Малошумящий болометр
Обнаруженная в результате экспериментальных исследований сильная зависимость величины и характера шумов болометра от длины нити проволочного чувствительного элемента и от размеров области газовой среды, окружающей нить, позволила предположить конструкцию [l5, 54j малошумящего болометра (МШБ), в которой уровень НЧ шума снижен (при средних значениях тока) до значения, близкого к теоретическому, являющемуся предельным для болометра. В этой конструкции проволочный чувствительный элемент заданной длины представляет собой последовательное соединение более коротких чувствительных элементов (многоэлементный болометр).
На рис.30 изображена (в масштабе 10:1) пара таких болометров, предназначенная для использования в балансных схемах. Конструкция представляет собой диэлектрическую подложку I, на которой имеется два ряда металлических площадок 3 и 4, к которым припаивают тонкую платиновую проволоку 2, Крайние площадки 3 используются в качестве выводов болометров, а дополнительные площадки 4, к которым припаивается средняя часть нити, разбивают нить на более короткие участки.
Изображенная на рис.30 структура была изготовлена фотохимическим способом на фольгированном стеклотекстолите. Поскольку обеспечить заданные размеры технологически трудно, то было изготовлено б фотооригиналов, расстояние между площадками в которых менялось с некоторым шагом. С этих фотооригиналов был сде лан общий негатив. После фотохимической обработки выбиралась структура с нужными размерами. Медная фольга имела толщину около 40 мкм. Этого было вполне достаточно, чтобы после пайки нить в промежутках между площадками не касалась подложки и была со всех сторон окружена воздухом.
В болометре применена платиновая проволока диаметром 1,5мкм. В холодном состоянии (при отсутствии мощности на болометре) при комнатной температуре (20С) болометр имеет сопротивление RK примерно 100 .Ом. Такое сопротивление получается при общей длине нити чувствительного элемента (рабочей части) 2-2,5 мм (проволока имела разброс сопротивления единицы длины от 40 до Ом/мм). В разогретом состоянии (при высокочастотном напряжении І В и постоянном токе 7-Ю мА) болометр имеет сопротивление 150 Ом, что при балансном включении пары болометров позволяет получить сопротивление 75 Ом.
Спектр НЧ шума болометра в присутствии только постоянного тока, при /лЛ= 1,5 приведен на рис.31 (кривая 2). Для сравнения здесь же приведен спектр шума болометра с длиной нити элемента 2 мм (кривая I; болометр № 7- 2 ммх2) щіш.В0/Як- 1,5, а также теоретический спектр (пунктирная кривая), рассчитанный для этого болометра по формуле (2.71) при следующих исходных дажшх.:Т0/Тк Ко/Кк = 1,5; Н0 = 0,3; fo7= 660 Гц. Таким образом, спектр шума МШБ близок к теоретическому спектру. Его шум на частоте 80 Гц, используемой в качестве промежуточной в болометрическом смесителе, на порядок меньше, чем в болометре, в котором заданная длина нити 2 мм обеспечивается одним элементом. Значения шума получились несколько меньшими, чем у болометра с той же длиной элемента 0,5 мм, исследованного в предыдущем параграфе (кривая 2 на рис.19). Последнее объясняется тем, что в рассматриваемой конструкции для уменьшения шума болометра использованы два фактора: малая длина нити отдельного элемента и близость нити к подложке, уменьшающая характерный размер области газовой среды, окружающей нить. Близость нити к подложке в данной конструкции не приводит к заметному дополнительному шуму на низких частотах, обусловленному флук-туационными отклонениями нити, по той причине, что короткая нить представляет собой уже жесткую механическую систему, имеющую малую величину флуктуационных отклонений.
На рис. 32 приведена зависимость шума болометра от величины тока (сплошная кривая), полученная на частоте 80 Гц. Здесь же показана соответствующая теоретическая зависимость (пунктирная кривая I), рассчитанная по формуле (2.71). Сравнение этих зависимостей показывает, что при значениях тока, меньших 12 мА (К/Кк ІЛ) шумы описываемого болометра близки к теоретическому уровню его шумов (различие не превышает 15 %).
В рассматриваемом болометре, в связи с малой длиной нити отдельного элемента, становятся заметными потери тепла через концы нити. Кроме того, появляются дополнительные потери тепла за счет близости нити к подложке. Поэтому для обеспечения того же R0/RK, что и при длинной нити, требуетсй большая удельная мощность (на единицу длины нити). Так, если для получения R0/RK - 1,5 в болометре 1Ь 6, имевшем длину нити 4 мм требовался ток примерно 8 мА, то в данной конструкции необходим уже ток примерно II мА. По этой причине вольт-ваттная чувствительность болометра с уменьшением длины нити падает. Однако за счет уменьшения шума пороговая чувствительность болометрического детектора при низкой частоте модуляции, в конечном счете, оказывается выше. Но наиболее ощутимым выигрыш в пороговой чувствительности получается в болометрическом смесителе, для которого дополнительные потери тепла в МШБ оказываются несущественными, так как они легко могут быть скомпенсированы увеличением мощностей гетеродина и постоянного тока. Для расчета характеристик болометрического смесителя (или детектора) на низких частотах (сот« I) достаточно знать мощ-ностный параметр болометра Н (1.25), являющийся его статистической дифференциальной характеристикой (определяемой из статистической зависимости сопротивления болометра от мощности на нем). Для описания же динамических (частотных) свойств болометрического смесителя необходимо, кроме того, знать тепловую постоянную времени болометра Т0 . При частотной характеристике (ЧХ) болометра, имеющий вид (I.I8), его постоянную временит находят с помощью выражения (1.29), определив частоту fo7 , на которой полученная в результате измерений ЧХ спадает до уровня І/УІГ= 0,71. По известному Т" из выражения (І.ІЗ) можно найти Т0 .
Поскольку различие между теоретической (І.І8) и экспериментальной ЧХ болометра может служить критерием для проверки применимости к нему используемого в данной работе способа описания, исследуем ЧХ болометров различных конструкций.
Частотные характеристики болометров лучше исследовать в режиме преобразования частоты, поскольку серийно выпускаемые генераторы (синтезаторы частоты) позволяют легко получать два ВЧ сигнала с малой и в то же время стабильной разностью частот, что дает возможность проводить такие исследования, начиная с очень низких промежуточных частот (долей герца). Тогда как в режиме детектирования атлплитудномодулированного сигнала такие исследования возможны только с десятков герц.
Динамический диапазон измерительного приемника
Для измерения больших ослаблений наибольшее распространение получили супергетеродинные измерители, в которых ослабление аттенюатора на ВЧ сравнивается с ослаблением образцового аттенюатора на ПЧ. При измерении только ослабления (без измерения фазового сдвига, вносимого аттенюатором) сравнение производится, главным образом, путем последовательного замещения одного ослабления другим (одноканальная схема). Типичная блок-схема такого измерителя приведена на рис.46. Пунктиром выделена часть, представляющая собой супергетеродинный измерительный приемник, включающий в себя входной преобразователь частоты (смеситель), предварительный УПЧ (УПЧІ), НЧ переменную меру ослабления (или образцовый аттенюатор), второй УПЧ (УПЧ2) и индикационную часть, состоящую из детектора, фильтра нижних частот (Ч) и индикатора.
С помощью такого приемника можно измерять отношение N— Ua/U двух уровней Uci и UCo сигнала (эффективных значений) на его входе, соответствующих двум значениям Ni и Л4 ослабления исследуемого аттенюатора,- для регулируемых аттенюаторов. Либо - двух уровней сигнала, соответствующих следующим двум измерительным ситуациям: аттенюатор в измерительном тракте отсутствует; аттенюатор включен в тракт,- для фиксированных аттенюаторов. Либо - известного уровня сигнала от калибратора и неизвестного уровня - при измерении уровней сигналов. Таким образом, измеряемое отношение N представляет собой, в зависимости от задачи измерений, либо разностное (дифференциальное) ослабление, либо вносимое ослабление (затухание), либо отношение измеряемого уровня сигнала к калиброванному.
Под ослаблением аттенюатора N-L будет понимать отношение напряжения Uc сигнала на входе аттенюатора к напряжению Uci на его выходе при условии идеального согласования аттенюатора как с источником сигнала, так и с входом приемника:
Соответствующее ослабление, выраженное в децибелах, будем обозначать как A-L . Б соответствии с определением ослабления Uci— Uc/Ni , UC2. Uc/ 2 » и 151 отношения N (дифференциального ослабления) имеем:
Условимся считать А/2 /Vy Измерение ослабления при методе последовательного замещения сводится к поддержанию с помощью НЧ меры ослабления одинаковости показаний индикатора при двух уровнях сигнала на входе. приемника, соответствующих двум значениям ослабления исследуемого аттенюатора (ИА), и определению отношения отсчетов по НЧ аттенюатору (или разности отсчетов, если его ослабление выражено в логариірических единицах).
При отсутствии шумов на входе детектора условие одинаковости показаний индикатора, которые пропорциональны току детектора, можно записать в виде ФНЧ), обусловленная сигналом на его входе. Этому условию при методе последовательного замещения соответствует известная формула измерения:
Здесь N[ и N0i - ослабления соответственно исследуемого и НЧ аттенюаторов в данной измерительной ситуации; і = 1,2 - номер измерительной ситуации. В соответствии с этой формулой измеряе мое отношение N (4.60) выражается через отношение значений ослаблений меры как А/ , В дальнейшем будем считать, что мера ослабления погрешности не имеет. В реальном измерителе из-за воздействия различных факторов вместо точного значения А/ (4.63) получают его оценку при которых получена данная оценка (для них оставлены те же обозначения, что и в (4.63)), Из (4.63) и (4.64) для относительной погрешности А измерения отношения N имеем,с учетом (4.60): Здесь AN N— N - абсолютная погрешность измерения N . Одним из основных факторов, ограничивающих точность измерения отношения /V является шум приемника. При совместном воздействии на вход детектора сигнала и шума- ток 1а детектора (на выходе Ч) состоит f 61J из постоянной составляющей Л, и НЧ шумовой составляющей 1Ш :
Постоянную составляющую Ід можно представить в виде 1д= 1„с+ + Jguit где Іде и Ідей - постоянные составляющие, обусловленные соответственно продетектированными сигналом и шумом. Из-за наличия составляющей Ідш , вместо условия (4.61), постоянству показаний индикатора будет соответствовать условие
Поскольку составляющая Ідім не одинакова в двух измерительных ситуациях (она зависит от NQ L ), применение формулы измерения (4.62), соответствующей условшо (4.61), будет приводить к погрешности А си І измерения отношения N , зависящей от значения N . Это явление называют "нелинейностью из-за шумов", а обусловленную им погрешность рассматривают как систематическую.
Вторая составляющая Лш2 погрешности обусловлена НЧ шумом, появляющимся в результате преобразования в детекторе входных шумов. НЧ шум не может быть сглажен полностью фильтром нижних частот и приводит к некоторой неопределенности отсчетов по индикаторному прибору из-за флуктуации его показаний. Эта так называемая "флуктуационная" погрешность носит случайный характер.
Проведем анализ этих погрешностей для трех видов детекторов: квадратичного, линейного и синхронного. При расчетах будем учитывать, что на результатах измерений сказываются, главным образом, шумы входной части приемника, расположенной перед мерой ослабления - это, прежде всего, шум смесителя. Рассмотрение проведем в предположении большого отношения сигнал/шум на входе детектора, что соответствует случаю измерений с повышенной точностью. Поскольку УПЧ имеет ширину полосы пропускания лЛ Д , где / - центральная частота его ЧХ, то шум, поступающий на вход детектора, можно считать . узкополосным. Будем также учитывать, что ширина полосы пропус-. кания ШЧ Л (г)«Л . Условимся считать, что/4/у и Af - эффективные (шумовые) полосы пропускания. Будем рассматривать безынерционные детекторы, то есть реакцию нагрузки (Ч) учитывать не будем. Иначе задача сильно усложняется.
