Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов измерения флуктуации сигналов в свч устройствах и способов калибровки измерителей флуктуации
1.1 Особенности миллиметрового диапазона длин волн 19
1.2 Характеристики флуктуации сигналов, влияющие на электромагнитную совместимость СВЧ устройств
1.3 Анализ методов измерения фазовых флуктуации сигнала СВЧ и способов калибровки измерителей флуктуации
1.4 Анализ методов измерения амплитудных флуктуации сигнала СВЧ и способов калибровки измерителей флуктуации
1.5 Анализ методов измерения частотных флуктуации сигнала СВЧ и способов калибровки измерителей флуктуации
1.6 Выводы 36
2. Разработка метода и средства измерения флуктуации сигналов свч устройств, метода и средства калибровки измерителей флуктуации
2.1 Разработка автоматического измерителя флуктуации сигналов 39
устройств миллиметрового диапазона длин волн
2.1.1 Разработка комплексного измерительного тракта СВЧ 39
2.1.2 Разработка блока обработки измерительной информации, алгоритма работы и структуры программного обеспечения измерителя флуктуации
2.2 Разработка методов и алгоритмов калибровки измерителя 46
флуктуации сигнала СВЧ по функциональным частям
2.2.1 Разработка методики определения значения коэффициента, характеризующего форму детекторной характеристики диода
2.2.2 Разработка методики определения значения крутизны преобразования частотного дискриминатора
2.3 Разработка метода, средства и алгоритма автоматической калибровки измерителя флуктуации сигналов устройств миллиметрового диапазона длин волн
2.3.1 Разработка формирователя образцового сигнала миллиметрового диапазона длин волн с калиброванными параметрами амплитудной или угловой модуляции
2.3.2 Разработка методики калибровки формирователя образцового сигнала миллиметрового диапазона длин волн
2.3.3 Разработка методики калибровки измерителя флуктуации с помощью формирователя образцового сигнала СВЧ
2.4 Выводы 58
3. Моделирование процессов измерения флуктуации сигналов свч устройств и калибровки измерителей флуктуации
3.1 Уточнение математической модели измерения флуктуации сигналов устройств миллиметрового диапазона длин волн
3.2 Разработка математической модели калибровки измерителя флуктуации сигналов устройств миллиметрового диапазона длин волн
3.3 Выводы 69
4. Исследование влияния операций калибровки на метрологические характеристики измерителя флуктуации сигналов устройств миллиметрового диапазона длин волн
4.1 Исследование метрологических характеристик формирователя 71
образцового сигнала СВЧ
4.1.1 Результаты экспериментальных исследований формирователя 71
образцового сигнала СВЧ
4.1.2 Неопределенность установки параметров модуляции образцового сигнала СВЧ
4.2 Исследование методов калибровки функциональных частей 80
измерителя флуктуации сигналов в СВЧ устройствах
4.2.1 Исследование методов определения коэффициента, 81 характеризующего форму детекторной характеристики диода
4.2.2 Исследование методов определения значения крутизны 87 преобразования частотного дискриминатора
4.3 Исследование неопределенности результата измерений амплитудных флуктуации сигналов в СВЧ устройствах
4.3.1 Результаты экспериментальных исследований измерителя амплитудных флуктуации сигналов в СВЧ устройствах
4.3.2 Неопределенность результата измерений амплитудных флуктуации сигнала СВЧ при калибровке ИФ по функциональным частям
4.3.3 Неопределенность результата измерений амплитудных флуктуации сигнала СВЧ при калибровке ИФ с помощью формирователя образцового сигнала СВЧ
4.4 Исследование неопределенности результата измерений частотных флуктуации сигналов в СВЧ устройствах
4.4.1 Результаты экспериментальных исследований измерителя частотных флуктуации сигналов в СВЧ устройствах
4.4.2 Неопределенность результата измерений частотных флуктуации сигнала СВЧ при калибровке ИФ по функциональным частям
4.4.3 Неопределенность результата измерений частотных ПО флуктуации сигнала СВЧ при калибровке ИФ с помощью формирователя образцового сигнала СВЧ
4.5 Исследование неопределенности результата измерений 112
вносимых фазовых флуктуации сигналов в СВЧ устройствах
4.5.1 Результаты экспериментальных исследований измерителя вносимых фазовых флуктуации сигналов в СВЧ устройствах
4.5.2 Неопределенность результата измерений вносимых фазовых 116 флуктуации сигнала СВЧ при калибровке ИФ по функциональным частям
4.5.3 Неопределенность результата измерений вносимых фазовых 118 флуктуации сигнала СВЧ при калибровке ИФ с помощью формирователя образцового сигнала СВЧ
4.6 Выводы 120
5. Внедрение результатов научных исследований 124
5.1 Измеритель флуктуации MNM 25-37 124
5.2 Измеритель флуктуации MNM 78-118 125
5.3 Перспективы и развитие измерителей флуктуации 127
Заключение 128
Библиографический список
- Анализ методов измерения фазовых флуктуации сигнала СВЧ и способов калибровки измерителей флуктуации
- Разработка блока обработки измерительной информации, алгоритма работы и структуры программного обеспечения измерителя флуктуации
- Разработка математической модели калибровки измерителя флуктуации сигналов устройств миллиметрового диапазона длин волн
- Неопределенность установки параметров модуляции образцового сигнала СВЧ
Введение к работе
Актуальность темы. Как известно, чувствительность гетеродинных приемников, анализаторов спектра, разрешающая способность средств связи с частотным разделением каналов, дальность действия РЛС, электромагнитная совместимость СВЧ устройств и систем в целом определяются уровнем флуктуации задающих генераторов и гетеродинов, используемых в данной аппаратуре А управляемые фазовые и амплитудные характеристики элементов
і^аЗпрСБаЬгіЯ И раСПрСДСЛСппл мОЩпОСТи СПрСДСЛЯЮТ ПарагаСТрЫ Диаграммы
направленности антенной решетки Интенсивное освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн и связанное с этим проектирование, производство и эксплуатация различных систем и устройств СВЧ и КВЧ определяют ужесточение требований к электромагнитной совместимости КВЧ систем и устройств, к качеству используемых сигналов КВЧ, и ставят задачу разработки методов и средств измерений параметров, определяющих качество сигналов и устройств КВЧ В частотной области под качеством активного устройства КВЧ (применительно к усилителям, смесителям, умножителям частоты, электрически управляемым аттенюаторам, фазовращателям и т д) понимают уровень дополнительных паразитных фазовых или амплитудных флуктуации сигнала, определяющих вблизи несущей чистоту спектра сигнала, и, следовательно, влияющих на электромагнитную совместимость активного устройства КВЧ Особенности миллиметрового диапазона длин волн (а именно жесткие допуски на геометрические размеры элементов тракта и фланцевых соединений, большая крутизна и изрезанность АЧХ, ФЧХ элементов тракта, и нестабильность параметров сигналов КВЧ) не позволяют просто перенести известные методы построения измерителей флуктуации, эффективно работающие в сантиметровом диапазоне, на более высокие частоты В связи с этим становятся актуальными задачи исследования методов измерения флуктуации сигналов в миллиметровом диапазоне длин волн, разработки автоматических измерителей флуктуации сигналов КВЧ и активных устройств КВЧ, задачи калибровки измерителей флуктуации сигналов КВЧ
Ключевыми задачами являются получение обобщенных математических моделей для процессов измерения и калибровки, разработка на базе этих моделей алгоритмов измерения и калибровки, обеспечивающих высокую степень автоматизации и точность измерения, исследование и разработка метрологического обеспечения измерения параметров флуктуации сигналов и устройств КВЧ при решении задач анализа, синтеза, оптимизации, производства новых и совершенствования существующих КВЧ устройств.
Целью работы является разработка методов измерения флуктуации сигналов миллиметрового диапазона длин волн, создание на их основе автоматических измерителей амплитудных, частотных и вносимых фазовых флуктуации сигналов КВЧ и разработка методов калибровки этих измерителей '
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи
- исследование методов измерения амплитудных, частотных и вносимых
фазовых флуктуации сигналов в СВЧ и КВЧ устройствах,
разработка и анализ обобщенной математической модели при измерении флуктуации сигналов СВЧ и КВЧ и структурной схемы измерителя;
исследование и разработка методов калибровки измерителей флуктуации сигналов в СВЧ и КВЧ устройствах,
исследование и разработка способов обеспечения возможно более полной автоматизации процессов калибровки и измерений;
практическая реализация измерителей амплитудных, частотных и вносимых фазовых флуктуации сигналов КВЧ и систем их калибровки,
- исследование точностных характеристик КВЧ измерителей флуктуации
Методы исследования носят теоретический и экспериментальный
характер, с использованием общей теории цепей (матричных методов), теории ориентированных графов, теории преобразования сигналов, теории спектрального анализа, общей теории погрешностей и выражения неопределенности результата измерений
Научная новизна работы определяется следующими результатами-
- предложен метод автоматического измерения флуктуационных
параметров сигналов в СВЧ устройствах, необходимый для обеспечения
электромагнитной совместимости СВЧ устройств,
предложены аналитические выражения для определения относительной спектральной плотности мощности трех видов флуктуации, учитывающие в явном виде параметры измерителя, алгоритмы калибровки и измерения флуктуации сигналов в СВЧ устройствах;
предложен метод калибровки измерителей флуктуации сигналов в СВЧ устройствах, позволяющий метрологически обеспечить проектирование, производство и эксплуатацию СВЧ устройств;
проведен теоретический анализ, оценены источники и результирующие неопределенности результатов измерения флуктуационных параметров сигналов СВЧ, предложены пути повышения точности измерений Предложенный метод калибровки измерителей флуктуации также позволяет на (20 - 50)% уменьшить погрешность измерения прибора
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные в диссертационной работе методы измерения, калибровки и математические модели являются основой для создания в миллиметровом диапазоне длин волн автоматических измерителей флуктуации сигналов Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволили создать автоматические измерители амплитудных и частотных флуктуации сигналов миллиметрового диапазона длин волн, фазовых флуктуации, вносимых активными устройствами миллиметрового диапазона длин волн.
Реализация в промышленности и внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в Институте молекулярной и атомной физики НАН Беларуси; в испытательной лаборатории аппаратуры и устройств СВЧ БГУИР, аккредитованной в системе испытательных, поверочных и калибровочных лабораторий Республики Беларусь; в ЗАО ПФ «Элвира»
(Россия). Реализация результатов работы подтверждена соответствующими актами. Поданы две заявки на патент.
Положения, выносимые на защиту:
Разработанный метод измерения флуктуации сигналов в устройствах миллиметрового диапазона длин волн, использующийся для обеспечения электромагнитной совместимости СВЧ устройств, и позволяющий проводить измерение трех видов флуктуации сигналов с помощью единого измерительного тракта, автоматизировать и существенно упростить проведение измерений флуктуации
Полученные аналитические выражения, учитывающие в явном виде собственные параметры измерителя флуктуации и блока его калибровки, и позволяющие определить относительную спектральную плотность мощности трех видов флуктуации сигналов в устройствах миллиметрового диапазона длин волн.
Разработанный метод калибровки измерителей флуктуации сигналов в СВЧ устройствах, использующийся для метрологического обеспечения проектирования и изготовления устройств миллиметрового диапазона длин волн, позволяющий автоматизировать и упростить проведение калибровки и улучшить метрологические характеристики измерителя флуктуации.
Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 международных и республиканских научно-технических конференциях (2000 - 2006 годы)* V - VIII МНТК «Современные средства связи» Республика Беларусь; МНТК НАН Республики Беларусь; XI - XV МНТК «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» Украина; I Международная специализированная выставка-конференция военных и двойных технологий «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления» Россия, II МНТК «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств» Республика Беларусь; XII International traveling summer school on microwaves and lightwaves, National Academy of Sciences of Belarus; IV Всероссийская НТК «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации» Россия; II - III МНТК «Технические средства защиты информации» Республика Беларусь.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 печатных работы, из них глава в монографии, 2 заявки на патент, 16 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК Беларуси и России, 11 статей в сборниках трудов МНТК, 3 тезиса доклада Результаты работы отражены в 4 отчетах по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений Общий объем диссертации составляет 167 страниц, из них 97 страниц текста, 53 рисунка на 26 страницах, 10 таблиц на 6 страницах, библиографический список из 182 наименований на 17 страницах и 4 приложения на 21 странице.
Анализ методов измерения фазовых флуктуации сигнала СВЧ и способов калибровки измерителей флуктуации
Для измерения фазовых флуктуационных параметров сигнала сантиметрового диапазона длин волн наиболее широко применяется метод с использованием СВЧ анализатора спектра [6 - 7]. К основным достоинствам этого метода следует отнести: прямое измерение значения частоты сигнала; возможность программного определения значения вариации Аллана для частоты сигнала; измерение относительной спектральной плотности мощности фазовых флуктуации (в предположении, что SCPM(F)»SAM(F), что выполняется для большинства современных источников сигнала СВЧ). К основным недостаткам метода следует отнести: невозможность измерять при малых частотах отстройки от несущей; невозможность проводить измерения параметров флуктуации при наличии дрожания или ухода частоты сигнала; невозможность разделить фазовые флуктуации с амплитудными; ограниченный динамический диапазон измерения параметров флуктуации сигналов вследствие высоких уровней собственных амплитудных и фазовых флуктуации используемых гетеродинов; наличие несущей в спектре анализируемого сигнала; значительные погрешности измерения. Калибровка измерителя флуктуации (ИФ), построенного на основе СВЧ анализатора спектра, сводится к калибровке собственно СВЧ анализатора спектра. Современные анализаторы спектра сигналов сантиметрового диапазона длин волн обладают погрешностями измерения амплитуды порядка ±(1...3) дБ, а анализаторы спектра сигналов миллиметрового диапазона длин волн обладают погрешностями измерения амплитуды порядка ±(3...6) дБ. Корреляционный метод измерения фазовых флуктуации сигналов СВЧ имеет более высокие метрологические характеристики [6, 20 - 22, 44]. Основные достоинства метода: простота эксплуатации прибора, высокая чувствительность измерения фазовых шумов (зависит от количества измерений NM3M), широкий диапазон частот отстройки (от 1Гц до 10МГц), использование методов временного анализа. Использование корреляционного метода позволяет подавить собственные шумы гетеродинов и каналов обработки измерителя. Типичная схема ИФ, реализующего корреляционный метод (Agilent Е5052А), представлена на рисунке 1.2 и имеет следующие характеристики [145]: диапазон частот исследуемого сигнала СВЧ от 10 МГц до 7 ГГц (с дополнительным блоком переноса частоты до 26,5 ГГц); диапазон частот анализа от 1 Гц до 10 МГц; минимальная мощность входного сигнала +5 дБм; чувствительность измерения фазовых шумов на частоте отстройки 1 Гц 50 дБн/Гц, на 100 Гц -135 дБн/Гц, 10 кГц -160 дБн/Гц, 1 МГц -170 дБн/Гц; погрешность измерения фазовых флуктуации при частотах отстройки (1 Гц — 1 кГц) составляет ±4 дБ, при частотах отстройки (1 кГц - 10 МГц) составляет ±3 дБ; время одного измерения составляет 0,3 сек. К недостаткам корреляционного метода построения ИФ относят: сложный измерительный тракт, наличие двух гетеродинов, двух систем ФАПЧ, необходимость проводить большое число измерений (А /зл/ 100-1000). Калибровка такого ИФ заключается в определении собственного значения коэффициента преобразования фазового детектора с помощью сложного алгоритма и Фурье анализатора спектра. БСм.
Широко используется третья группа построения ИФ сигналов СВЧ — группа демодуляционных методов. Для измерения фазовых флуктуации используется фазовый детектор (балансный смеситель с гетеродином и петлей ФАПЧ). Схема демодуляционного метода измерения фазовых флуктуации сигнала СВЧ представлена на рисунке 1.3. К достоинствам метода относят: широкий диапазон частот анализа; высокая чувствительность измерения фазовых флуктуации на частотах анализа близких к несущей; возможность измерять дрожание и уход частоты исследуемого СВЧ сигнала; большое подавление сигнала несущей частоты; широкий динамический диапазон измерений; метод позволяет разделить фазовые, амплитудные флуктуации и побочное излучение; комплексная обработка результата измерения; автоматизация процесса измерения. К явным недостаткам метода следует отнести: ограничение чувствительности измерения фазовых флуктуации собственными шумами гетеродина и системы в целом; сложности проведения настройки ИФ, его калибровки и проведения измерений для быстрой перестройки по частоте (с большой крутизной перестройки).
Основываясь на данном методе, производятся ИФ с внешними гетеродинами (типичные приборы Aeroflex PN-9000, Agilent серия Е550х). Прибор Е5505А имеет следующие характеристики [145]: диапазон частот исследуемого сигнала СВЧ от 50 кГц до 1,6 ГГц (с дополнительным блоком переноса частоты до 6,6 ГГц /18 ГГц); диапазон частот анализа от 0,01 Гц до 2 МГц; чувствительность измерения фазовых шумов на частоте отстройки 10 кГц -180 дБн/Гц; погрешность измерения фазовых флуктуации составляет ±4 дБ; время одного измерения составляет от 3 сек до 30 сек.
Разработка блока обработки измерительной информации, алгоритма работы и структуры программного обеспечения измерителя флуктуации
Минимальный уровень измеряемых флуктуации СВЧ сигнала ограничивается собственными шумами детектора иШд и измерительной системы иш. Известно, что в миллиметровом диапазоне длин волн в смесителях и детекторных секциях используются диоды с барьером Шотки (ДБШ). Исследованию шумов детекторов и смесителей посвящено большое количество работ [9, 19-22, 24, 26, 28-32, 40-41, 47-49, 54, 62, 70, 77, 81, 95, 109, 111-112, 121, 126, 130-131, 8-А, 11-А]. Реальный уровень собственных шумов диода СВЧ детектора зависит от уровня поданной на него СВЧ мощности (эффект СВЧ разогрева), от постоянного тока смещения и от условий" работы диода. Для измерения собственных низкочастотных шумов СВЧ диодов детектора без влияния амплитудных шумов СВЧ генератора использовалась специальная корреляционная схема [60]. Собственные шумы измерительной системы ИФ ііці не зависят от параметров исследуемого сигнала, и их действие выражается в смещении кодов уровня нуля блока АЦП. Реализован следующий алгоритм их измерения и учета: вместо СВЧ детектора на вход НЧ блока обработки (рисунок 2.5) подключается короткозамыкатель и производится серия измерений кодов смещения уровня нуля АЦП для различных значений частоты дискретизации АЦП и коэффициентов усиления двух каналов обработки сигналов. Массив калибровочных зависимостей кодов смещения уровня нуля АЦП хранится в памяти компьютера и автоматически учитывается при проведении измерения флуктуации СВЧ сигнала.
Разработка методики определения значения коэффициента, характеризующего форму детекторной характеристики диода
Как указывалось выше, значение коэффициента, характеризующего форму детекторной характеристики СВЧ диода, а может быть рассчитано по достаточно громоздким выражениям (1.22) - (1.25). В данной работе предлагается новая методика определения значения коэффициента а по зависимости постоянной составляющей выходного напряжения детектора СВЧ от уровня входной мощности СВЧ сигнала, что более удобно в практике миллиметрового диапазона длин волн. В основу предложенной методики положены математические модели, приведенные в работе [53]. В окрестностях интересующей нас рабочей точки амплитудного детектора устанавливается значение уровня мощности СВЧ сигнала Ph при этом необходимо измерить значение постоянного напряжения на диоде Uj. Далее, устанавливается следующее значение мощности СВЧ сигнала Р2 (с помощью калиброванного аттенюатора) так, чтобы изменение постоянного напряжения на диоде AU=Ui-U2 составило порядка (5-10)% от значения //. При этом измеряется значение U? и относительное изменение мощности СВЧ сигнала ЛА в дБ. Тогда для определения значения коэффициента а диода детектора в данной точке зависимости получено следующее новое выражение
Точность такого способа зависит от пределов изменения входной мощности и в основном определяется погрешностью калибровки СВЧ аттенюатора. Также предполагается, что при небольших изменениях входной мощности (А 1дБ) параметры диода мало меняются.
Разработка методики определения значения крутизны преобразования частотного дискриминатора
Метод определения значения крутизны частотного дискриминатора Бщ (выражение (1.28)) требует применения дорогостоящих перестраиваемого высокостабильного СВЧ генератора и цифрового частотомера. Известно, что для высокодобротных колебательных систем в диапазоне частот, не превышающем полосу пропускания системы, резонансная характеристика Z(f) системы может быть с хорошим приближением представлена не функцией частоты f, а функцией частотной расстройки ,=f-fo от резонанса Z0() [64]. Тогда предполагая, что интерполяция характеристики перестройки резонатора является линейной в малом диапазоне перестройки - п, значение крутизны преобразования частотного дискриминатора 8щ(по , fo) в рабочей точке резонатора щ для частоты сигнала » можно определить как [64] sw(.no fo) = T,— -т- (2-7) Ьрсз V Дл )
Как будет показано далее, коэффициент преобразования фазового детектора Кфд может быть легко определен при калибровке ИФ, и числено равен уровню постоянной составляющей выходного напряжения фазового детектора при определенном фазовом сдвиге СВЧ фазовращателя.
Разработка метода, средства и алгоритма автоматической калибровки измерителя флуктуации сигналов устройств миллиметрового диапазона длин волн
Точность измерения флуктуации GB4 сигналов зависит, в значительной степени, не только от того, какой метод или схема измерений используется, но и от способа калибровки прибора [37, 90, 93-94, 139]. В соответствии с общепринятой калибровкой ИФ необходимо определять значения ряда собственных параметров ИФ для трех видов измерений. В миллиметровом диапазоне длин волн решение подобных задач является достаточно сложным.
Опираясь на результаты исследования методов калибровки измерителей флуктуации СВЧ сигналов [50, 90-94], предлагается использовать новый для миллиметрового диапазона длин волн метод калибровки ИФ, основанный на применении образцового источника СВЧ сигнала с калиброванными параметрами амплитудной или угловой модуляции — метод замещения. Так как настройка и собственные параметры ИФ зависят от значения частоты и уровня мощности исследуемого сигнала СВЧ, то для калибровки ИФ необходимо либо использовать тот же исследуемый СВЧ сигнал, либо строить сложные алгоритмы сохранения результатов калибровки ИФ и использования их при проведении измерений. В первом случае погрешность формирования образцового СВЧ сигнала из исследуемого СВЧ сигнала зависит от соотношения величин требуемого калиброванного коэффициента модуляции тк и коэффициента эквивалентной шумовой модуляции исследуемого СВЧ
Разработка математической модели калибровки измерителя флуктуации сигналов устройств миллиметрового диапазона длин волн
Неопределенность установки параметров модуляции образцового сигнала СВЧ Для сличения результатов измерений друг с другом, со. справочными данными, с данными в спецификациях или стандартах необходимо количественно оценить качество и надежность этих результатов. Для этих целей, наряду с методиками оценки погрешностей измерений, применяется методика оценки и выражения неопределенности результата измерений [97].
Разработанные формирователи образцового сигнала СВЧ и измерители флуктуации сигналов СВЧ были калиброваны в соответствии с предложенными методиками калибровки. Проведение калибровки средства измерения предусматривает нахождение неопределенности результата измерений [97]. Проведем оценку неопределенности установки параметров модуляции образцового сигнала СВЧ в соответствии с методикой [97, 137, 139].
Структурно оценка неопределенности результата измерений или установки включает в себя следующие задачи: постановка измерительной задачи; запись модели измерения; анализ входных величин, приведенных в модели измерения; анализ степени корреляции между входными величинами; оценка коэффициентов чувствительности входных величин; составление бюджета неопределенности результата измерений; оценка расширенной неопределенности результата измерений; запись результата измерений.
Калибровка формирователя образцового сигнала СВЧ и установка требуемых параметров модуляции сигнала СВЧ производится в соответствии с методикой калибровки и руководством по эксплуатации формирователя образцового сигнала СВЧ. Величина установленного коэффициента калибровочной амплитудной модуляции ШАМ.К определяется по выражению (2.14), индексов калибровочной частотной тцм.к и фазовой тФМК модуляций по выражениям (2.17) и (2.19) соответственно, с учетом различных условий формирования образцового сигнала СВЧ. Перепишем выражение (2.14) в более удобный вид где ШАМ.К— значение калибровочного параметра AM сигнала СВЧ в дБ; АО — значение ослабления в дБ, соответствующее параметру АА, полученному при калибровке формирователя образцового сигнала СВЧ; Al, A2 - значения ослаблений аттенюаторов АТТ.1 и АТТ.2 в дБ.
Тогда в соответствии с выражением (4.4) модель измерения: АМХ = тАИКУ + АЛО + АА1 + АА2, (4.5) тчм.к = тчм.к.у + Д 0 + AAl + АА2 (4-6) МФМ.К = тФм.к.у + ЛЖ) + ЛЛ1 + ДЛ2, (4.7) где ГПАМ.К.У, гпчм.к.у, ШФм.к.у — установленные значения параметров калибровочной амплитудной, частотной или фазовой модуляций сигнала в дБ;
ЛАО, ЛА1, ЛА2 — неопределенности измерения ослабления ЛА при калибровке формирователя и неопределенности установки ослаблений аттенюаторов АТТ. 1 и АТТ.2 соответственно, в дБ.
Опираясь на анализ экспериментальных результатов, оценку неопределенности установки параметров модуляции образцового сигнала СВЧ и результата измерения флуктуации будем проводить при многократных измерениях. Количество измерений выбираем равным, обычно рекомендованному при калибровке значению, iV#=10. Тогда среднее арифметическое значение установленного параметра модуляции определяется
При этом оценка стандартной неопределенности установки параметра и{тАм.к.у)= JN ,N _ї)ТІтш.ку.і -,пАм.к.у\ = і- Тлтлм.к.у., -тшху\. (4.9) Проведем анализ входных величин модели измерения и результаты анализа представим в таблице 4.3. Таблица 4.3 - Анализ входных величин ШАМ.К.Утцмку ПфМК У Тип неопределенности: А;Вид распределения: нормальное; Средние арифметические значения: тАМКУ, тчмку, тФМКУ определяются по выражению (4.8) в дБ;
Оценки стандартных неопределенностей: m yj, и[тчмку), и\тФК1 ку) определяются по выражению (4.9); ААО Тип неопределенности: ВВид распределения: равномерноеИнтервал, в котором находится значение величины:ААО=± 0.90дБ; и(АА0) = = 0.52 -Оценка стандартной неопределенности: V3 ДБ.
Для частного случая установки параметров калибровочной модуляции образцового- СВЧ сигнала: значение относительного изменения ослабления аттенюатора АТТ.1 при калибровке А0=-ЗЗдБ, значение установленного ослабления АТТ.1 А 1=0дБ, значение установленного ослабления АТТ.2 А2=-60дБ. В соответствии со свидетельством о государственной метрологической аттестации поляризационных аттенюаторов АТТ.1 и АТТ.2, пределы допустимых значений неопределенностей по соответствующим разностным ослаблениям составляют А0=±0.90дБ, Л1=±0.25дБ и Л2=±1.6дБ. Следовательно, значения стандартных неопределенностей, при равномерных распределениях, составляют соответственно и(АА0)=0.52(дБ), и(АА1)=0 А 45(дБ) и и(АА2)=0.92(дБ). Значение коэффициента калибровочной амплитудной модуляции составляет тАМ ку = -93 (дБ) на частоте модуляции 50 кГц. Принимаем коэффициент корреляции входных величин ААО и АА1 равным Rij=\, а коэффициент корреляции входных величин ААО и АА2, а также АА1 и АА2 принимаем равным Ry=0. Определим коэффициенты чувствительности входных величин по выражениям (4.4) и (4.5)
Неопределенность установки параметров модуляции образцового сигнала СВЧ
В настоящее время ведутся работы по совершенствованию НЧ части измерителей флуктуации, по использованию специализированных БПФ анализаторов спектра в составе измерителей флуктуации. Эти работы необходимы, чтобы качественно улучшить метрологические характеристики измерителей и чувствительность измерения AM, ЧМ или ФМ флуктуации СВЧ сигналов. Одним из преимуществ разработанных измерителей флуктуации является возможность протоколирования результатов измерения с учетом неопределенности. Для проведения межлабораторных сличений результатов измерения ведутся работы по созданию сетевой версии программного обеспечения измерителя флуктуации, позволяющего осуществлять многопользовательский удаленный доступ и контроль за процессом калибровки и измерения по протоколам TCP/IP. Также ведется разработка дополнительного программно-аппаратного комплекса для обеспечения проведения измерений амплитудных, частотных и вносимых фазовых флуктуации импульсных сигналов СВЧ с помощью разработанных измерителей флуктуации. Исследуются возможности объединения СВЧ измерительных трактов измерителя флуктуации, измерителя коэффициента шума устройств СВЧ и векторного анализатора цепей СВЧ диапазона. Решение этих задач возможно благодаря унификации методов обработки измерительной информации, использованию похожих структур СВЧ трактов и современной вычислительной техники, позволяющей автоматизировать множество операций калибровки, измерения и управления приборами.
Проведен анализ и сравнение современных методов и средств измерения амплитудных, частотных и вносимых фазовых флуктуации сигналов в устройствах миллиметрового диапазона длин волн и выявлено, что измерение различных видов флуктуации сигнала осуществляется по отдельным схемам, базируясь, главным образом, на детектировании сигналов, выделении постоянной и переменной составляющих с использованием низкочастотного анализатора спектра. Калибровка измерителей флуктуации СВЧ сигналов, как правило, сводится к определению действительных значений характеристик отдельных функциональных частей прибора. В миллиметровом диапазоне длин волн нерешенными являются задачи комплексной калибровки измерителя, его метрологическое обеспечение, разработка алгоритмов автоматизации процессов калибровки и измерения. Наиболее перспективным путем построения измерителя флуктуации сигналов миллиметрового диапазона длин волн, с точки зрения автоматизации процесса измерения и калибровки, является разработка единого СВЧ измерительного тракта с использованием высокодобротного резонатора в качестве частотного дискриминатора [1-А, 4-А, 5-А, 14-А, 26-А, 28-А].
Предложена математическая модель проведения измерений амплитудных, частотных и вносимых фазовых флуктуации сигналов с учетом специфики миллиметрового диапазона длин волн. Данная модель применима при объединении трех различных СВЧ трактов в единый измерительный комплекс, и учитывает особенности используемых в нем устройств миллиметрового диапазона длин волн. Опираясь на математическую модель измерений, предложены аналитические выражения для расчета относительной спектральной плотности мощности трех видов флуктуации по измеренным значениям выходных напряжений тракта [4-. Разработан единый СВЧ измерительный тракт, объединяющий в себе особенности схемы непосредственного детектирования амплитудных флуктуации, двухканальной схемы измерения частотных флуктуации со схемой подавления несущей, и двухканальной схемы измерения вносимых фазовых флуктуации. Разработана низкочастотная система обработки измерительной информации на базе персонального компьютера. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение автоматического функционирования всей измерительной системы прибора в различных режимах (калибровка измерителя и измерение трех видов флуктуации СВЧ сигналов). При этом достигнута высокая степень автоматизации процессов калибровки и измерения флуктуации, что существенно упрощает эксплуатацию прибора и повышает его характеристики (надежность, точность и повторяемость результатов измерения) [3-А, 4-А, 17-А, 20-А, 26-А-28-А, 30-А, 33-А].
Разработан комплексный блок калибровки измерителя флуктуации, позволяющий свести измерение флуктуации СВЧ сигнала к измерению отношения уровней образцового и измерительного сигналов, при этом отпадает необходимость в трудоемком определении некоторых параметров СВЧ измерительного тракта. Предложены методы определения и нормализации всех параметров измерителя флуктуации сигналов миллиметрового диапазона длин волн [2-А,5-А,9-А,16-А-19-А,21-А,25-А,30-А]
Проведен теоретический анализ, оценены и выражены неопределенности результатов измерения относительных спектральных плотностей мощности амплитудных, частотных и вносимых фазовых флуктуации сигналов в СВЧ устройствах с помощью разработанных измерителей. Использование разработанного блока калибровки позволяет существенно упростить процедуры проведения калибровки и измерения флуктуации [6-А, 7-А, 11 -А - 15-А, 18-А, 22-А - 24-А, 31 -А, 32-А].
