УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШУМОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА СВЧ
DEVICE FOR DETERMINING NOISE PARAMETRES OF UHF FOUR-POLE

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно к измерению уровня собственного шума, создаваемого n-полюсником, и может быть использовано при конструировании радиоприемных устройств СВЧ.
В радиоэлектронной технике под термином n-полюсник понимается элемент радиотехнической схемы, имеющий n функциональных клемм.
Существующие разновидности n-полюсников легко сводятся к двум - двух- и четырехполюсники. По конструкции n-полюсники подразделяются на так называемые элементарные n-полюсники (диоды, транзисторы, фильтры, трансформаторы, резонаторы и другие) и n-полюсники, представляющие собой их комбинации (функциональные схемы усилительных каскадов или генераторов).
ш
ш
ш
В общем случае шум как физическое явление - это хаотическое движение электрических зарядов и характеризуется известными электрическими параметрами: комплексной мощностью шума P, Вт, напряжением шума U, В, шумовым током I, А.
Известен способ и устройство определения коэффициента шума транзистора и транзисторных структур.
Устройство при этом содержит исследуемый транзистор (транзисторную структуру), резистор в цепи стока транзистора, аккумуляторную батарею, являющуюся источником питания, термокриостат, малошумящий предварительный усилитель, анализатор спектра, блок внешних устройств (цифропечатающее устройство, дисплей, графопостроитель), блок управления, управляющую ЭВМ.
Элементы устройства размещены внутри термокриостата, обеспечивающего регулируемое изменение температуры в диапазоне 180-430К.
Задают линейный режим работы транзистора. Шумовое напряжение, выделяемое на резисторе, поступает на вход малошумящего усилителя, а затем на вход анализатора спектра, обеспечивающего измерение спектральной плотности шума в диапазоне частот 20-100000 Гц. Результаты измерения поступают на блок внешних устройств. Работа осуществляется в автоматическом режиме при помощи блока управления, а программа работы задается ЭВМ. Согласно программе происходит установление температуры в термокриостате, после чего осуществляется измерение спектральной плотности шума на выбранных фиксированных частотах, затем устанавливается новое значение температуры и процесс измерения повторяется [1].
Недостаток этого устройства заключается в принципиальном ограничении, связанном с возможностью использования его только на низких частотах (звуковых и видеочастотах).
Известен измеритель шумовых характеристик сверхвысокочастотных и высокочастотных передатчиков, состоящий из делителя мощности, соединенных последовательно балансного смесителя, узкополосного фильтра нижних частот, усилителя постоянного тока, первого аналого-цифрового преобразователя и электронно-вычислительной машины, и также широкополосного фильтра нижних частот и второго аналого-цифрового преобразователя, в который с целью расширения амплитудно-динамического диапазона измерений фазовых шумов при одновременном обеспечении возможности измерения амплитудных шумов передатчиков дополнительно введены направленный ответвитель, линия задержки, регулируемый аттенюатор, два регулируемых фазовращателя, низкочастотный коммутатор на три входа и один выход, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, три полосовых фильтра, сверхвысокочастотный сумматор, делитель мощности на три.
При этом входом измерителя является вход направленного ответвителя, первый выход которого соединен с входом делителя мощности, а второй через первый регулируемый фазовращатель с гетеродинным входом балансного смесителя, первый выход делителя мощности через линию задержки и второй регулируемый фазовращатель соединен с первым входом сверхвысокочастотного сумматора, а второй выход делителя мощности через регулируемый аттенюатор со вторым входом сверхвысокочастотного сумматора, выход которого соединен с сигнальным входом балансного смесителя, выход балансного смесителя через последовательно соединенные широкополосный фильтр нижних частот и регулируемый усилитель соединен с входом делителя мощности на три, каждый из выходов которого через соответствующий полосовой фильтр соединен с соответствующим входом низкочастотного коммутатора, выход которого через первый аналого-цифровой преобразователь соединен с электронно-вычислительной машиной, выходы которой соединены с управляющими входами низкочастотного коммутатора и регулируемого усилителя [2].
Недостаток данного устройства заключается в необходимости использования нескольких дополнительных устройств (направленного ответвителя, фазовращателя, балансного смесителя и др.), каждый из которых имеет ошибку измерения и что снижает точность измерения шумовых характеристик передатчиков в целом.
Известен способ и устройство определения шумовых характеристик n-полюсника путем подачи на него электрических сигналов с последующим определением по результатам измерений их шумовых характеристик, в котором, с целью разработки универсального способа и устройства, позволяющих однозначно определять собственный шум n-полюсника, расширения диапазонности использования, получения возможности проводить измерения в процессе их технологического изготовления, упрощения измерительного устройства, обеспечения возможности автоматизации измерений с помощью ЭВМ и, как следствие - значительного снижения стоимости как самой установки для проведения измерений, так и создаваемой с ее помощью радиотехнической аппаратуры, n-полюсник помещают внутрь поглощающей электромагнитное излучение среды и измеряют его электромагнитное излучение до и после подачи на n-полюсник, по меньшей мере, одного электрического сигнала.
Устройство при этом содержит блок питания, генератор шума, контактное приспособление для подключения n-полюсника и измерительный приемник с индикатором.
Которое, с выше указанной целью, дополнительно содержит камеру из поглощающего электромагнитное излучение материала, внутри которой размещены контактное приспособление для подключения n-полюсника и обращенная в их сторону антенна -индикатор электромагнитных излучений, соединенная с измерительным приемником [3].
Использование камеры из поглощающего материала приводит к усложнению устройства.
min
n
so
so
Известно устройство для измерения шумовых параметров транзистора СВЧ (F, R, G, B,), содержащее схему с перестраиваемыми параметрами, включенную между входом измеряемого транзистора и генератором шума [4].
min
so
so
so
Варьируя перестраиваемыми параметрами добиваются минимальной величины коэффициента шума F, а затем с помощью измерителя полных проводимостей измеряют величину оптимальной проводимости по формуле Y=G+jB.
Недостаток этого устройства заключается в необходимости использования измерителя полных проводимостей, а также сложности в осуществлении автоматизации процесса измерения из-за необходимости переключения измерительных каналов.
Известно устройство для определения шумовых параметров транзистора СВЧ, содержащее измерительную интегральную схему с перестраиваемыми параметрами, включенную между генератором шума и входом измеряемого транзистора, выход которого подключен к измерителю коэффициента шума, в котором с целью упрощения процесса измерения и автоматизации, измерительная интегральная схема выполнена в виде центрального проводника, средняя часть которого соединена с катодами двух pin-диодов, аноды которых соединены с соответствующими неравными отрезками линий передачи, при этом концы центрального проводника соединены с генератором шума и входом измеряемого транзистора, а расстояние между точкой подключения катодов pin-диодов и входом измеряемого транзистора составляет λ/4, где λ - длина волны на центральной частоте диапазона измерения [5 - прототип].
Преимущество данного устройства по сравнению с предыдущим состоит в некотором расширении рабочей полосы частот, повышении точности измерения и упрощении конструкции.
Недостаток заключается:
во-первых, по прежнему узкой рабочей полосе частот и низкой точности измерения, обусловленные необходимостью использования неравных отрезков линии передачи, которые на граничных частотах становятся резонансными, и что приводит к сужению рабочей полосы частот и уменьшению точности измерения шумовых параметров.
во-вторых, сложности устройства, обусловленной использованием для переключения двух pin-диодов, управляющее напряжение на которые подается через фильтры питания.
Техническим результатом изобретения является расширение рабочей полосы частот, повышение точности измерения, упрощение устройства для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ.
Указанный технический результат достигается устройством для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ, содержащим измерительную интегральную схему с элементами с перестраиваемыми параметрами и отрезком линии передачи, вход которого соединен с генератором шума, измеритель коэффициента шума, в котором
в измерительную интегральную схему дополнительно введены второй отрезок линии передачи - на ее выходе, две одинаковые емкости, резистор, индуктивность, две контактные площадки для подачи питания к измеряемому четырехполюснику,
а, элементы с перестраиваемыми параметрами расположены, по меньшей мере, один на входе и, по меньшей мере, один на выходе измеряемого четырехполюсника и выполнены в виде полевых транзисторов с барьером Шотки,
при этом
один конец резистора соединен с входом измеряемого четырехполюсника и с одним концом первой емкости, а другой конец резистора соединен с первой контактной площадкой,
другой конец первой емкости соединен с другим концом отрезка линии передачи на входе и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки на входе,
один конец индуктивности соединен с выходом измеряемого четырехполюсника и с одним концом второй емкости, а другой конец индуктивности соединен со второй контактной площадкой,
другой конец второй емкости соединен с одним концом отрезка линии передачи на выходе и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки на выходе,
другой конец отрезка линии передачи на выходе соединен с измерителем коэффициента шума,
при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки заземлены, а на каждый затвор подают управляющее напряжения от соответствующего источника постоянного управляющего напряжения,
отрезки линии передачи на входе и выходе выполнены с одинаковой величиной волнового сопротивления,
величина сопротивления резистора на порядок больше величины волнового сопротивления отрезка линии передачи на входе либо на выходе,
величины индуктивности и емкости определяются из формул соответственно:
0
0
L=3×Z/(2×π×f),
0
0
-3
C=Z×10/(2×π×f),
где
L - индуктивность, Гн,
C - емкость, Ф,
0
Z - волновое сопротивление отрезка линии передачи на входе либо на выходе, Ом,
π - число, равное 3,1415.
0
F - величина центральной частоты рабочей полосы частот, Гц.
Четырехполюсником СВЧ может быть, например, транзистор.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков, а именно ведение в измерительную интегральную схему устройства дополнительно второго отрезка линии передачи на ее выходе, двух одинаковых емкостей, резистора, индуктивности и двух контактных площадок для подачи питания к измеряемому четырехполюснику с указанным соотношением величин волнового сопротивления отрезков линии передачи на входе и на выходе и сопротивления резистора;
А также расположение элементов с перестраиваемыми параметрами, по меньшей мере, одного на входе и, по меньшей мере, одного на выходе измеряемого четырехполюсника;
А также выполнение элементов с перестраиваемыми параметрами в виде полевых транзисторов с барьером Шотки;
А также иное соединение всех элементов устройства обеспечит:
Во-первых, расширение рабочей полосы частот за счет исключения из измерительной интегральной схемы неравных отрезков линии передачи, проводимости которых на резонансных частотах неограниченно возрастают, что приводит к определенным трудностям при измерении коэффициентов шума - на выходе измеряемого четырехполюсника СВЧ и активной и реактивной составляющих проводимости - на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ,
Во-вторых, повышение точности измерений за счет:
а) наличия двух одинаковых емкостей, резистора и индуктивности, с заявленными их величинами, которые обеспечивают развязку измерительной интегральной схемы по постоянному току и СВЧ, и тем самым приводит к снижению потерь СВЧ в измерительной интегральной схеме и как следствие - более точное измерение коэффициента шума на выходе измеряемого четырехполюсника СВЧ и активной и реактивной составляющих проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ,
б) выполнения элементов с перестраиваемыми параметрами в виде полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым обеспечение возможности получения непрерывного ряда значений управляющего напряжения на их затворах и тем самым получения непрерывного ряда различных состояний измерительной интегральной схемы и тем самым обеспечения возможности осуществления согласования измеряемого четырехполюсника с генератором шума на входе и измерителем коэффициента шума на выходе и как следствие - обеспечение высокой точности измерений минимальной величины коэффициента шума.
Следует отметить, что это обеспечит измерение шумовых параметров четырехполюсника с высокой точностью, приближающейся к предельной.
В-третьих, упрощение устройства, за счет использования в качестве элементов с перестраиваемыми параметрами трехполюсных элементов вместо двухполюсных элементов и поскольку первые (полевые транзисторы с барьером Шотки) в отличие от последних (pin-диодов) не требуют для работы наличия фильтров питания.
Итак, совокупность всех существенных признаков обеспечит технический результат, а именно расширение рабочей полосы частот, повышение точности измерений, упрощение устройства.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 дана топология заявленного устройства для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ, где:
измерительная интегральная схема - 1,
элементы с перестраиваемыми параметрами - полевые транзисторы с барьером Шотки, которые расположены, по меньшей мере, один на входе - 2 и, по меньшей мере, один на выходе - 3 измеряемого четырехполюсника,
отрезок линии передачи на входе - 4 измерительной интегральной схемы,
генератор шума - 5,
измеритель коэффициента шума - 6,
отрезок линии передачи на выходе - 7 измерительной интегральной схемы,
две одинаковые емкости - 8, 9 соответственно,
резистор - 10,
индуктивность - 11,
две контактные площадки - 12, 13 соответственно,
измеряемый четырехполюсник - 14,
источники постоянного управляющего напряжения - 15, 16 соответственно.
На фиг.2 дана его эквивалентная схема.
min
0
0
n
На фиг.3 даны измеренные зависимости от частоты минимальных величин коэффициента шума F(f) в рабочей полосе частот от 1 ГГц до 18 ГГц, равной рабочей полосе частот генератора шума, рассчитанные зависимости от частоты оптимальной активной G(f) и оптимальной реактивной B(f) составляющих проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ и зависимость от частоты рассчитанных величин шумового сопротивления R(f).
Пример конкретного выполнения.
Устройство для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ содержит:
- измерительную интегральную схему 1, выполненную на подложке из арсенида галлия толщиной, равной 100 мкм,
- полевые транзисторы с барьером Шотки (элементы с перестраиваемыми параметрами) один на входе 2, другой на выходе 3,
два отрезка линии передачи на входе 4 и на выходе 7 шириной, равной 80 мкм, что соответствует волновому сопротивлению каждого 50 Ом,
- генератор шума 5, унифицированный тип HP 346А,
- измеритель коэффициента шума 6, унифицированный тип HP 8970B,
- две емкости 8, 9 величиной 10 пФ, индуктивность 11 величиной 2 нГн (величины рассчитаны согласно указанным математическим формулам),
- резистор 10 величиной 500 Ом, что на порядок больше величины волнового сопротивления отрезка линии передачи на входе либо на выходе,
- две контактные площадки 12, 13 размером 80×80 мкм,
- измеряемый четырехполюсник СВЧ 14, например, транзистор,
- два источника постоянного управляющего напряжения 15, 16, тип HP 4142.
При этом
отрезок линии передачи на входе 4 соединен с генератором шума 5,
один конец резистора 10 соединен с входом измеряемого четырехполюсника 14 и с одним концом первой емкости 8, а другой конец резистора 11 соединен с первой контактной площадкой 12,
другой конец первой емкости 8 соединен с другим концом отрезка линии передачи на входе 4 и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки на входе 2,
один конец индуктивности 11 соединен с выходом измеряемого четырехполюсника 14 и с одним концом второй емкости 9, а другой конец индуктивности 11 соединен со второй контактной площадкой 13,
другой конец второй емкости 9 соединен с одним концом отрезка линии передачи на выходе 7 и со стоком полевого транзистора с барьером Шотки на выходе 3,
другой конец отрезка линии передачи на выходе 7 соединен с измерителем коэффициента шума 6,
при этом истоки полевых транзисторов с барьером Шотки на входе 2 и выходе 3 заземлены, а на их затворы подают управляющее напряжение от источников постоянного управляющего напряжения 15, 16 соответственно.
Устройство для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ работает следующим образом.
min
0
0
min
n
Для описания шумовых свойств четырехполюсников СВЧ, в том числе транзисторов, на частоте f рабочей полосы частот широко используется система шумовых параметров, включающая в себя: F(f) - минимальную величину коэффициента шума F(f); величины активной G(f) и реактивной B(f) оптимальной проводимости на входе транзистора, при которой F(f) равно F(f), величину шумового сопротивления R(f) [4].
На контактную площадку 12 подают рабочее напряжение питания, равное - 1 B, а на контактную площадку 13 - рабочее напряжение питания, равное 5 В.
На вход отрезка линии передачи на входе 4 измерительной интегральной схемы 1 от генератора шума 5 подают шумовой сигнал с известной спектральной плотностью мощности шума в рабочей полосе частот.
1
2
Поскольку в заявленном устройстве управляющие напряжения U и U - непрерывные величины, а не дискретные, как в прототипе, то величин каждого из управляющих напряжений U может быть получен непрерывный ряд.
1
На затвор полевого транзистора с барьером Шотки на входе 2 (элемент с перестраиваемыми параметрами) от источника постоянного управляющего напряжения 15 подают управляющее напряжение U
2
На затвор полевого транзистора с барьером Шотки на выходе 3 (элемент с перестраиваемыми параметрами) от источника постоянного управляющего напряжения 16 подают управляющее напряжение U.
1
2
Управляющие напряжения U и U непрерывно изменяют каждый в интервале от - 2,5 B до 0.
min
С помощью измерителя коэффициента шума 6 на каждой частоте рабочей полосы частот измеряют величину коэффициента шума F(f) и определяют минимальную величину F(f).
10
20
min
Фиксируют величины управляющих напряжений U и U, при которых измерена величина F(f).
0
0
Рассчитывают зависимости от частоты оптимальных величин активной G(f) и реактивной B(f) составляющих проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ по формулам:
,
0
T
10
B(f)=B(f, U),
где
0
Z - величина волнового сопротивления отрезка линии передачи на входе измерительной схемы (Ом),
T
10
10
G(f, U) - активная составляющая проводимости зависящая от частоты f и управляющего напряжения U,
T
10
10
B(f, U) - реактивная составляющая проводимости полевого транзистора с барьером Шотки, зависящая от частоты f и управляющего напряжения U.
1
2
На затворы полевых транзисторов с барьером Шотки 2 и 3 от источников постоянного управляющего напряжения 15 и 16 соответственно подают управляющие напряжения U=U=-0,5 B.
1
Измеряют величину коэффициента шума F(f).
1
1
Рассчитывают зависимости от частоты активной G(f) и реактивной B(f) составляющих проводимости на входе измеряемого четырехполюсника СВЧ по формулам:
,
1
T
1
B(f)=B(f, U),
По измеренным и рассчитанным упомянутым выше характеристикам рассчитывают величину шумового сопротивления
n
1
min
1
1
0
1
0
2
2
R(f)=[F(f)-F(f)]×G(f)/{[G(f)-G(f)]+[B(f)-B(f)]}/
Данные представлены на фиг.3
Как видно из фиг.3, заявленное устройство:
- расширяет рабочую полосу частот от 1 до 18 ГГц,
- существенно увеличивает точность измерений, при этом, чем больше число измерений, тем выше точность измерений и при этом последняя приближается к предельной.
Таким образом, заявленное устройство для определения шумовых параметров четырехполюсника СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом расширение рабочей полосы частот примерно в 2 раза, повышение точности измерений примерно в 1,5 раза, существенное упрощение конструкции.
Источники информации
1. Патент РФ №2012006 МПК G01R 31/26 приоритет 17.06.1991, опубл. 30.04.1994.
2. Патент РФ №2099729 МПК G01R 29/26 приоритет 05.05.1994, опубл. 20.12.1997.
3. Патент РФ №2039363 МПК G01R 29/26 G01R 31/26 приоритет 08.04.1993, опубл.09.07.1995.
4. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. М. Советское радио; Прага. Издательство технической литературы, 1977 г.
5. Патент РФ №2085960 МПК G01R 31/26 приоритет 24.07.1992, опубл. 27.07.1997 - прототип.