Способ векторной калибровки с учетом собственных шумовых параметров измерителя
METHOD FOR VECTOR CALIBRATION TAKING INTO ACCOUNT THE INTRINSIC NOISE PARAMETERS OF THE METER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области радиолокации, радионавигации, дальней и сверхдальней связи, телевидения и радиовещания, научных исследований и может быть использовано для измерения коэффициента шума приемников, усилителей, смесителей и др. ВЧ и СВЧ устройств.
Уровень техники
Одним из основных параметров СВЧ усилительных и приемных устройств является их пороговая чувствительность, которая связана с пределом различимости сигнала, определяемым собственным шумом приемного устройства. Одним из критериев, описывающих пороговую чувствительность, является коэффициент шума (КШ), который определяется при условии того, что тракт, в котором проводится измерения, согласован. При шумовом описании исследуемого устройства (ИУ) в рассогласованном тракте одного понятия «коэффициент шума» уже недостаточно, т.к. между ИУ и нагрузкой (или трактом) возникают переотражения сигнала, что вносит в измерения погрешность рассогласования. Векторный анализатор цепей (ВАЦ), измеряющий комплексный коэффициент отражения от ИУ, позволяет оценивать КШ ИУ для произвольной нагрузки, компенсируя эффекты рассогласования. Другим существенным источником погрешностей в рассогласованном тракте может являться зависимость собственного шума измерительного оборудования от импеданса подключаемого ИУ (см. с. 28 в книге «Алмазов-Долженко К.И. Коэффициент шума и его измерение на СВЧ / под ред. акад. Н.Д. Девяткова. М.: Научный мир, 2000. с. 240.»), описываемая уравнением с четырьмя шумовыми параметрами.
Известно множество способов и оборудования, позволяющих проводить измерение КШ и шумовых параметров. Для измерения КШ с помощью анализаторов спектра или измерителей коэффициента шума, как правило, используется метод Y-фактора (Измеритель коэффициента шума. Х5М-18: руководство по эксплуатации: в 3 ч./ [ЗАО «НПФ «Микран»]. [Томск ]: Микран, cop. 2011. 3 ч. URL: www.micran.ru»; «The Y Factor Technique for Noise Figure Measurements: Application Note / Mike Leffel, Rick Daniel; Rohde & Schwarz. Изд. 1.2019. München: Rohde & Schwarz, 2019. 30, [1] р. URL: https://scdn.rohde-schwarz.com. Обозначение док. 1MA178_4E.»).
Данный способ не предусматривает векторных измерений, и, соответственно, не может обеспечить точный учет эффектов рассогласования и зависимости шумов измерителя от импеданса ИУ.
Также известен способ «холодного» источника (Cold-метод) измерения КШ с использованием ВАЦ (патент US 10371733 опубл. 06.08.2019), при котором измеряют S-параметры ИУ, ВАЦ и другого вспомогательного оборудования, что позволяет компенсировать рассогласование в измерительном тракте без нахождения шумовых параметров и оценивать КШ ИУ Cold-методом для любой нагрузки.
Недостатком этого решения является то, что на этапе калибровки не предусмотрено измерение шумовых параметров ВАЦ, а это не дает возможности исключить влияние импеданса ИУ на собственный шум ВАЦ.
Известен способ выделения шумовых параметров нелинейных устройств (патент US 9929757 опубл. 27.03.2018), в котором на этапе калибровки предусмотрено измерение S-параметров генератора шума, ИУ и ВАЦ, а также измерение шумовых параметров ВАЦ.
Данный способ рассчитан на измерение КШ нелинейных устройств таких, как смесители, и представляет их в виде многопортовых устройств.
Недостатком способа является то, техническое решение невозможно использовать для двухпортовых линейных устройств. Более того, изобретение предполагает наличие тюнера импеданса и специфической опции векторных измерений с возможностью определения VC-параметров, которая имеется не на всех ВАЦ.
Наиболее близким аналогом является способ измерения коэффициента шума тестируемого устройства с помощью анализатора цепей (Патент US 7804304 опубл. 28.09.10), в котором алгоритм калибровки осуществляют с применением генератора шума и ВАЦ, по результатам которой определяются мощность собственного шума ВАЦ, погрешность, связанная с его собственным коэффициентом усиления по мощности, S-параметры ИУ и коэффициенты отражения ГШ и ВАЦ.
Недостатком этого решения является то, что при оценке КШ не учитывается зависимость шумов измерителя от импеданса ИУ.
Сущность изобретения
Задача изобретения направлена на создание способа векторной калибровки, учитывающего шумовые параметры ВАЦ, что исключает влияние зависимости собственного шума ВАЦ от импеданса ИУ.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности измерений КШ, за счет уменьшения характерных колебаний на измеряемой частотной зависимости коэффициента шума исследуемого устройства, обусловленных зависимостью шумов измерителя от входного импеданса.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложен способ векторной калибровки измерений коэффициента шума, характеризующийся тем, что на первом этапе осуществляют векторную калибровку шумового приемника ВАЦ, подключая к измерительному порту ВАЦ генератор шума и не менее шести нагрузок из механического набора мер, измеряя мощность шума от включенного генератора шума и мощности тепловых шумов от выключенного генератора шума и нагрузок, по результатам которых вычисляют шумовые параметры шумового приемника ВАЦ; на втором этапе присоединяют выход исследуемого устройства к порту ВАЦ с шумовым приемником, а вход измерительного устройства к другому порту ВАЦ, включают зондирующий сигнал и измеряют S-параметры исследуемого устройства; на третьем этапе выключают зондирующий сигнал ВАЦ и измеряют дисперсию шума на выходе исследуемого устройства, при этом порт ВАЦ выступает в качестве согласованной нагрузки на входе исследуемого устройства, по полученным данным вычисляют относительную мощность шума на выходе исследуемого устройства; на четвертом этапе вычисляют коэффициент шума исследуемого устройства на основе измеренных S-параметров и относительной мощности шума на выходе исследуемого устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вариант последовательности действий (этапов) измерения коэффициента шума ИУ для осуществления предлагаемого изобретения, на фиг. 2 изображена схема векторной шумовой калибровки ВАЦ, на фиг. 3 изображена схема непосредственного измерения КШ ИУ, на фиг. 4 представлены результаты измерения шума, полученные с помощью предлагаемого изобретения и с помощью ближайшего аналога (US 7804304), которые условно называются «векторная коррекция» и «скалярная коррекция», соответственно.
На фиг. 2, 3 обозначено:
1 - векторный анализатор цепей;
2 - генератор шума;
3 - второй порт векторного анализатора цепей со встроенным шумовым приемником;
4 - набор механических мер (из как минимум шести нагрузок);
«с1-с1» - сечение коаксиального тракта, в котором происходит соединение подключаемых генератора шума, механических мер (или электронного калибратора, или тюнера импеданса) ко второму порту ВАЦ;
5 - исследуемое устройство.
Осуществление изобретения
Изобретение представляет собой способ калибровки векторного анализатора цепей со встроенным шумовым приемником, расположенным на первом или втором портах, с целью измерения коэффициента шума некоторого двухпортового исследуемого устройства. Для проведения измерений используют ВАЦ 1 с опцией измерения КШ, генератор шума 2, нагрузки из набора мер, например, набор механических мер 4.
Для измерения КШ ИУ 5 на первом этапе для векторной калибровки шумового приемника ВАЦ 1 используют схему калибровки, приведенную на фиг. 2, при этом ко второму порту 3 ВАЦ 1 поочередно подключают генератор шума 2 и, как минимум, шесть нагрузок из механического набора мер 4, для каждого подключения на ВАЦ 1 проводят измерения  (комплексный коэффициент отражения либо от генератора шума в «холодном» или «горячем» состояниях, либо от нагрузок из набора мер) и  (дисперсия шума), вычисляемая ВАЦ 1 и связанная с входной мощностью и параметрами шумового приемника по формуле:
,
где:  - дисперсия шума, вычисляемая ВАЦ 1, Вт;
;
- количество нагрузок из набора мер плюс два состояния генератора шума;
- мощность на входе ВАЦ 1, выделяемая на , Вт, где  - опорный импеданс;
- скалярный коэффициент, прямо пропорциональный коэффициенту усиления шумового приемника ВАЦ 1 и уровню теплового шума согласованной нагрузки, Вт;
- комплексный коэффициент отражения либо от генератора шума в «холодном» или «горячем» состояниях, либо от нагрузок из набора мер, отн. ед.;
- комплексный коэффициент отражения от шумового приемника ВАЦ 1, отн. ед.;
- скалярный коэффициент, прямо пропорциональный коэффициенту усиления шумового приемника ВАЦ 1 и уровню прямой волны мощности его собственного шума (т.е., распространяющейся внутрь шумового приемника), Вт;
- скалярный коэффициент, прямо пропорциональный коэффициенту усиления шумового приемника ВАЦ 1 и уровню обратной волны мощности его собственного шума (т.е., излученной шумовым приемником и отраженной от входного импеданса), Вт;
, отн. ед.;
- комплексный коэффициент, прямо пропорциональный коэффициенту усиления шумового приемника ВАЦ 1 и ковариации прямой и обратной волн мощности его собственного шума, Вт.
По окончании векторной калибровки решается система уравнений:
.
методом наименьших квадратов:
.
X
ENR
Полученный вектор  содержит параметры шумового приемника ВАЦ 1 - скалярные , ,  и комплексный . При этом предполагается, что известны величины  и  генератора шума.
На втором этапе для измерения S-параметров ИУ 5 к портам ВАЦ 1 подключают ИУ 5 в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 3, где выход ИУ 5 присоединяют к порту ВАЦ 1 с шумовым приемником 3, а вход ИУ 5 - к другому порту ВАЦ 1. Затем включают зондирующий сигнал и измеряют S-параметры ИУ 5: коэффициент отражения от выхода ИУ  и коэффициент передачи ИУ .
На третьем этапе для измерения мощности шума на выходе ИУ 5 выключают зондирующий сигнал ВАЦ 1 и измеряют дисперсию шума. на выходе ИУ 5. При этом порт 1 ВАЦ 1 выступает в качестве согласованной нагрузки («холодного» источника шума). Используя полученные на первом этапе калибровочные данные, вычисляют относительную мощность на выходе ИУ 5 по формуле:
,
где:  - мощность на входе ВАЦ 1, выделяемая на , при подключенном ИУ 5, Вт;
- коэффициент отражения выхода ИУ 5, отн. ед.;
- дисперсия шума, вычисляемая ВАЦ 1, при подключенном ИУ 5, Вт;
.
После этого на этапе вычисления КШ ИУ 5 на основе измеренных S-параметров ИУ 5 и относительной мощности шума на выходе ИУ 5 проводят расчет КШ ИУ 5 по формуле:
,
где:  - коэффициент передачи по напряжению ИУ 5, отн. ед.
На фиг.4 приведены результаты измерения шума, которые были получены при измерении коэффициента шума кабельной сборки, подключенной между первым и вторым портом ВАЦ 1. Из фиг. 4 видно, что характерные колебания, связанные с эффектом рассогласования и зависимости собственного шума ВАЦ 1 от входного импеданса заметно меньше для способа согласно предлагаемому изобретению по сравнению со способом-прототипом (т.е. скалярной калибровкой).
Таким образом, предложенное решение позволяет исключить погрешность измерения коэффициента шума исследуемого устройства, обусловленную зависимостью собственных шумов ВАЦ 1 от входного импеданса.