ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЙ МОДУЛЯТОР-КАЛИБРАТОР МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
ELECTRICALLY CONTROLLED MILLIMETRE WAVELENGTH RANGE MODULATOR-CALIBRATOR

Изобретение относится к радиотехнике КВЧ и может быть использовано в качестве эталона шумовой температуры в миллиметровом диапазоне длин волн при измерении малых уровней шумовой температуры источников сигналов, в частности в радиотеплолокации земных покровов и в атмосферных исследованиях.
Для обнаружения излучения, тестирования и отладки радиоаппаратуры широко применяются различного рода индикаторы излучения, а для ее калибровки - генераторы шума и другие источники излучения.
Например, спектрорадиометрическая аппаратура, в частности предназначенная для наблюдения слабых спектральных линий излучения примесных газов стратосферы на фоне значительного и сравнительно быстро меняющегося тропосферного излучения, требует обязательной калибровки, повторяющейся через интервалы времени, меньшие характерного времени тропосферных вариаций и вариаций параметров самой аппаратуры. Такая калибровка в миллиметровом диапазоне длин волн обычно производится путем размещения перед антенной или включения в ее тракт специальных согласованных нагрузок, одна из которых находится при температуре среды, окружающей аппаратуру, а другая при температуре кипящего азота. При этом время измерения принимаемого излучения составляет обычно примерно от трети до половины длительности всего цикла измерение-калибровка, хотя имеются варианты калибровочных устройств, свободные от подобных потерь времени наблюдений.
Известен калибратор, работающий в диапазоне миллиметровых длин волн с применением методики абсолютной калибровки малых шумовых сигналов с использованием «теплой» (при температуре окружающей среды) и «холодной» (при температуре кипения жидкого азота) согласованных нагрузок (см. А.А. Красильников, Ю.Ю. Куликов, В.Г. Рыскин, В.М. Демкин, Л.М. Кукин, В.Л. Михайловский, В.Н. Шанин, М.З. Шейнер, В.А. Шумилов, A.M. Щитов. Новый малогабаритный микроволновый спектрорадиометр-озонометр // Приборы и техника эксперимента. 2011. №1. С.127-133.).
Недостатками этого калибратора является громоздкость, необходимость наличия криоагента, что не всегда возможно, и ограниченное время непрерывной работы.
0
0
0
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является модулятор-калибратор на основе микросхемы, состоящей из цепочек GaAs-диодов с барьером Шоттки (Л.И. Федосеев, В.Г. Божков, В.А. Геннеберг, И.В. Петров, А.П. Шкаев. Радиометр 3-миллиметрового диапазона длин волн с модулятором-калибратором // Изв. ВУЗов - Радиофизика. 2007. Т.50. №10-11. С.948.). Этот модулятор-калибратор позволяет реализовать функции и индикатора, и источника шумового излучения с помощью одного прибора. Он имеет регулируемый интервал калибровочных шумовых температур от 0,6Т до (2÷3)Т, где Т - температура окружающей среды, не нуждается в использовании криогенного охлаждения, малогабаритен и не имеет ограничений в непрерывном функционировании.
Недостатком прототипа является зависимость калибровочных уровней шумовой мощности, а значит, и шумовой температуры, не только от тока, протекающего через диоды микросхемы, но и от температуры самих диодов, которая испытывает значительные вариации во времени. Таким образом, данное устройство не является источником высокостабильных уровней шумовой температуры и недостаточно качественно выполняет функции калибратора шумовых сигналов.
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание электрически управляемого высокостабильного модулятора-калибратора, обеспечивающего высокую точность эталонных уровней шумовых температур для калибровки измеряемых шумовых сигналов миллиметрового диапазона длин волн.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый электрически управляемый модулятор-калибратор миллиметрового диапазона длин волн, как и прототип, содержит волноводную вставку с размещенной в ней управляемой внешним источником тока монолитно-интегральной схемой (МИС), состоящей из ряда параллельных цепочек последовательно соединенных GaAs-диодов с барьером Шоттки, а также вентиль.
Новым в предлагаемом электрически управляемом модуляторе-калибраторе миллиметрового диапазона длин волн является то, что для получения высокостабильных калибровочных уровней шумовой температуры волноводная вставка с МИС и вентиль размещены в термостате, который стабилизирует температурный режим МИС, при этом чувствительным элементом термостата является температурный датчик, расположенный на корпусе волноводной вставки.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На Фиг.1 представлена функциональная схема модулятора-калибратора.
На Фиг.2 приведено изображение монолитно-интегральной микросхемы (МИС) модулятора-калибратора.
На Фиг.3 показано размещение МИС модулятора-калибратора в волноводе.
Модулятор-калибратор состоит из волноводной вставки 1 длиной 10 мм, в продольном сечении которой размещена монолитно-интегральная схема (МИС) 6, содержащая ряд параллельных цепочек 7 из нескольких последовательно включенных диодов с барьером Шоттки. На вход модулятора-калибратора подается измеряемый шумовой сигнал. Выходной фланец волноводной вставки 1 соединен с вентилем 2 для исключения влияния импеданса источника излучения на приемник, который подключен к выходу модулятора-калибратора. С внешнего модуля 5 подается управляющий сигнал на МИС 6 через специальный вывод 8 волноводной вставки 1, к которой прикреплен температурный датчик 3 термостата 4. Все элементы модулятора-калибратора расположены в термостате 4.
Модулятор-калибратор работает следующим образом. Когда управляющее напряжение равно нулю, Модулятор-калибратор открыт, и измеряемый шумовой сигнал с его выхода через вентиль 2 поступает на вход приемника. При подаче на вывод 8 МИС 6, расположенной в волноводной вставке 1, управляющего напряжения с внешнего модуля 5, которое обеспечивает ток порядка 2 мА через ряд параллельных цепочек 7, эффективная шумовая температура излучения модулятора-калибратора достигает величины около 160 К. При этом входной тракт модулятора-калибратора заперт с уровнем запирания 20 дБ. При увеличении тока эффективная шумовая температура на выходе модулятора-калибратора возрастает (вплоть до 560 К при токе 50 мА). Таким образом, обеспечиваются два и более эталонных уровней шумовой температуры, необходимых для калибровки интенсивности принимаемого излучения, аналогичных используемым в методике абсолютной калибровки.
d
Шумовая температура диода с барьером Шоттки T описывается следующей формулой (см. Л.И. Федосеев, В.Г. Божков, В.А. Геннеберг, И.В. Петров, А.П. Шкаев. Радиометр 3-миллиметрового диапазона длин волн с модулятором-калибратором // Изв. ВУЗов - Радиофизика. 2007. Т.50. №10-11. С.948.):
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>e</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>η</mi><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>G</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>j</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>G</mi><mi>С</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>j</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>G</mi><mi>С</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                                    </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
где Т - температура окружающей среды, где находится диод,
e
s
T - температура электронного газа последовательного сопротивления R,
j
j
R и C - дифференциальное сопротивление и емкость барьера Шоттки,
η - показатель идеальности вольт-амперной характеристики ДБШ,
<mrow><msub><mi>G</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>R</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
- активная проводимость барьера Шоттки,
C
j
G=ωC - емкостная проводимость барьера Шоттки.
При увеличении тока через диод до некоторой характерной величины, его шумовая температура достигает своего минимума и становится равной
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mi>η</mi><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                                                                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Таким образом, управляя импульсами тока МИС 6 определенной величины, на вход приемника можно последовательно подавать измеряемый сигнал и два (или несколько) калибровочных уровней шумовых температур, т.е. данное устройство выполняет функцию одновременно и модулятора, и калибратора. Для дальнейшей работы достаточно один раз снять зависимость эффективной шумовой температуры излучения от величины тока МИС 6, т.е. прокалибровать модулятор-калибратор по методике абсолютной калибровки.
Однако выходной уровень мощности шума модулятора-калибратора согласно выражениям (1) и (2) пропорционален величине физической температуры диодов МИС 6, которая может значительно изменяться во время измерений. Авторами установлено, что из-за сильного влияния окружающей температуры на величину шумовой температуры устройство-прототип не может являться источником высокостабильных уровней шумовой температуры и недостаточно качественно выполняет функции калибратора шумовых сигналов. Поэтому для обеспечения стабильных уровней эталонных шумовых сигналов необходимо поддерживать постоянную температуру МИС 6. Эту роль в описанном выше процессе работы предлагаемого модулятора-калибратора выполняет термостат 4, чувствительным элементом которого в цепи обратной связи является температурный датчик 3, с высокой точностью реагирующий на все колебания температуры МИС 6.
Таким образом, благодаря включению в конструкцию данного модулятора-калибратора термостата, который стабилизирует температурный режим всего устройства, удается обеспечить долговременную стабильность эталонных уровней шумовой температуры для калибровки измеряемых шумовых сигналов миллиметрового диапазона длин волн.