Измеритель коэффициента шума (стр. 3 из 15)
Рисунок 3.3 - Структурная схема измерения шумовых параметров четырехполюсников методом опорного сигнала
Основным недостатком метода является значительная составляющая погрешности измерения за счет собственных шумов измерительного приемника. Кроме того, метод не имеет преимуществ по сравнению с другими методами в части высокочастотной составляющей погрешности измерений.
3.2 Модуляционный метод измерения шумовых параметров четырехполюсников
Известно много различных вариантов модуляционного метода. Общим для них является сравнение мощности шумов на выходе линейной части испытуемого устройства при включенной и выключенной мерах температуры шума [спектральной плотности мощности шума (СПМШ)] на входе четырехполюсника. Для выделения слабых шумовых сигналов на выходе измеряемого устройства используется модуляционный метод выделения и измерения сигналов.
Рисунок 3.4 - Упрощенная структурная схема
Метод обладает достаточно высокой чувствительностью, что позволяет использовать при измерениях относительно маломощные меры шума, а также включать их в измерительные тракты через направленные ответвители. Последнее в свою очередь делает возможным:
· производить измерения коэффициента шума при работе приемного устройства на реальную нагрузку (антенну);
· осуществлять измерения шумовых параметров без нарушения функционирования приемного устройства;
· исключать дополнительную погрешность измерения, обусловленную изменением выходного сопротивления генератора шума при его работе в режиме модуляции.
На рисунке 3.4 приведена упрощенная структурная схема метода измерения.
Принцип измерения иллюстрируется на рисунке 3.5, на котором показан характер изменения во времени относительных температур шума, приведенных к входу измеряемого устройства.
Рисунок 3.5 - Временная диаграмма изменения температуры шума на входе измеряемого четырехполюсника
При модуляции генератора шума (включении и выключении) относительная температура шума, приведенная к входу измеряемого четырехполюсника, изменяется
от
Тгш/Т0 + Тч/Т0 + Тизм/Т0 или tгш+Fч+D
до
Т0/Т0 + Тч/Т0 + Тизм/Т0 или Fч + D,
где D = (Fизм – 1)/G;
Тгш - температура шума генератора;
Tгш - избыточная относительная температура шума генератора;
Тч - температура шума измеряемого четырехполюсника;
Fч - коэффициент шума четырехполюсника;
Fизм - коэффициент шума измерительного устройства;
Т0 - нормальная температура (293К).
Шумовой сигнал на выходе четырехполюсника промодулирован частотой модуляции генератора шума. Как видно из рисунка 3.5, глубина модуляции тем больше, чем меньше мощность шумов измеряемого четырехполюсника. Во всех вариантах модуляционного метода селективно выделяются низкочастотные составляющие частоты модуляции, пропорциональные tгш и tгш + Fч + D или Fч + D. Одна из величин (tгш) фиксируется с помощью автоматического регулирования усиления (АРУ) усилителя измерительного устройства, а другая используется для определения коэффициента шума измеряемого четырехполюсника. Применение при этом узкополосных устройств (синхронных и частотных детекторов, фильтров и др.) позволяет избавиться от шумового фона и увеличить чувствительность к первой гармонике низкочастотной составляющей модулированных сигналов.
Известно большое число различных вариантов модуляционного метода, удовлетворяющих многим требованиям, предъявляемым к измерениям шумовых параметров четырехполюсников. В зависимости от требуемой точности и пределов измерения, особенностей исследуемых устройств может быть технически реализован тот или иной вариант метода.
4. Средства измерения коэффициента шума четырехполюсников
Для измерения коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств СВЧ диапазона выпускается относительно большое число типов приборов. Эта измерительная аппаратура различается по техническим характеристикам (пределам измерений, диапазонам рабочих частот) и номенклатуре исследуемых устройств. Весь комплекс приборов позволяет решать многие измерительные задачи, возникающие при оценке шумовых свойств как аппаратуры в целом, так и отдельных ее узлов при их проектировании, производстве и эксплуатации. С помощью подобных приборов могут производиться измерения:
· коэффициента шума и коэффициента передачи приемных устройств;
· коэффициента шума и коэффициента передачи СВЧ усилителей, интегральных микросхем и транзисторов по точкам и в панораме;
· коэффициента шума и коэффициента преобразования смесителей;
· градуировка рабочих генераторов шума.
Измеритель коэффициента шума, как правило, представляет собой супергетеродинный приемник с высокоточным детектором. ИКШ обеспечивает управление генератором шума и вывод результатов измерения на индикатор. Вычисление коэффициента шума производится автоматически по модуляционному методу.
4.2 Измерение коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств СВЧ диапазона
Измерение выполняется в два этапа: вначале проводится калибровка измерительного тракта с подключением генератора шума к входу измерителя (рисунок 4.1), при которой измеряется собственный коэффициент шума измерителя во всем частотном диапазоне при двух различных температурах источника шума (включенное и выключенное состояние ГШ).
Рисунок 4.1 - Структурная схема калибровки измерительного тракта
При этом напряжение на входе АЦП изменяется от величины
(4.1)до величины
(4.2)где
- коэффициент передачи по мощности измерительной схемы от входа ИКШ до выхода детектора; 
- приведенная к входу температура шума ИКШ; 
- коэффициент пропорциональности.По сигналам α1 и β1 происходит определение коэффициента шума ИКШ
(4.3)где
- избыточная относительная температура генератора шума.Далее присоединяется исследуемое устройство между выходом ГШ и входом измерителя и проводится измерение его характеристик (рисунок 4.2).
Рисунок 4.2 - Структурная схема измерения КШ и КП четырехполюсников
На этапе измерения (рисунок 4.2) в зависимости от того выключен генератор шума или включен, напряжение на входе АЦП изменяется от величины
(4.4)до величины
(4.5)После этого происходит определение искомых параметров
и 
в соответствии с формулами: 
(4.6) 
(4.7)В случае если коэффициент усиления приемного устройства (ПУ) достаточно высок, так что можно пренебречь шумами ИКШ, то измерения производят без калибровки, сразу определяя коэффициент шума ПУ, который равен
, (4.8)где α2 и β2 - величины, определяемые по (4.4) и (4.5).
Одним из основных качеств современных ИКШ является высокая автоматизация процесса измерения на базе вычислительной техники. Основную роль в автоматизации процесса измерения, управления работой и обработки результатов в ИКШ выполняют микропроцессоры и ЭВМ. Применение в приборах микропроцессоров позволило за счет замены аппаратных средств программными принципиально изменить процесс измерения, расширить функциональные возможности ИКШ, автоматизировать ряд трудоемких операций по проведению подготовительных настроек, обработке результатов измерений, а также упростить электрические схемы. Расширение функциональных возможностей ИКШ выразилось в том, что одним прибором, удается реализовать все измерительные задачи.
Микропроцессор в приборе выполняет следующие основные функции:
· производит автоматический выбор пределов измерений;
· выполняет автоматическое управление процессом измерения (устанавливает необходимый для измерения уровень входных сигналов, управляет работой отдельных узлов измерительного тракта и др.);
· автоматически перестраивает встроенный в прибор гетеродин либо в заданном оператором диапазоне частот, либо на частоту, на которой должны производиться измерения;