ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗМЕРИТЕЛЯ ФЛУКТУАЦИЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

April 19, 2012 by admin Комментировать »

Дзисяк А. Б. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Минск – 220013, Беларусь Тел.: +375-17-239-84-96; e-mail: i.am.abd@tut.by; http://www.mwmlab.com

Аннотация – Представлены результаты исследования источников неопределенности измерения амплитудных флуктуаций сигнала миллиметрового диапазона длин волн.

I.  Введение

Интенсивное развитие ряда направлений радиоэлектроники (связь, системы на эффекте Доплера, радиолокация, радионавигация, радиометрия, спектроскопия, синтез частот, создание новых радиотехнических материалов) ставит новые, более жесткие требования к качеству используемых радиочастотных сигналов. Обострилась необходимость в совершенствовании способов измерения флуктуаций амплитуды и частоты (фазы) сигналов, особенно в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн.

В испытательной лаборатории аппаратуры и устройств СВЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (БП/ИР) разработан комплексный измеритель флуктуаций сигналов миллиметрового диапазона длин волн [1], разработаны алгоритмы и методика калибровки прибора [2].

Как и для любого нового измерительного прибора, необходимо исследовать метрологические характеристики измерителя флуктуаций, возможные источники неопределенности измерения, степень их влияния на суммарную неопределенность результата измерения, чтобы выявить пути совершенствования прибора.

II.  Основная часть

Для сличения результатов измерений друг с другом, со справочными данными, с данными в спецификациях или стандартах, наряду с методиками оценки погрешностей и доверительных границ результата измерения, применяется, ставшая общепринятой в станах Западной Европы и США, методика оценки и выражения его неопределенности. Также как Международная система единиц (СИ), которая стала системой практически универсального использования, данная методика привнесла согласованность во все виды измерений. Единство в оценке и выражении неопределенности измерения обеспечивает правильное использование результатов измерений в науке, технике и промышленности.

Оценивание неопределенности при измерении амплитудных флуктуаций СВЧ-сигнала с помощью разработанного измерителя флуктуаций производилось в соответствии с методикой, изложенной в [4]. Для определения действительного значения относительной спектральной плотности мощности амплитудных флуктуаций исследуемого СВЧ- сигнала используется метод измерения, основанный на прямом детектировании СВЧ-сигнала. Про- детектированный сигнал усиливается, преобразуется в цифровой код и поступает на цифровой Фурье- анализатор спектра. Проведению операции измерения предшествуют операции калибровки измерителя необходимые для нормализации и калибровки всех характеристик измерительной системы.

Математическая модель измерения значения относительной спектральной плотности мощности амплитудных шумов СВЧ-сигнала имеет вид

где гпдм.к – индекс калибровочной амплитудной модуляции; U~, UmдеТ) U~k, U=, U=k – переменные и постоянные составляющие выходного напряжения, СВЧ детектора в различных режимах работы измерителя флуктуаций; Кф – коэффициент, характеризующий форму детекторной характеристики диода; AF3oo – эффективная полоса пропускания измерителя флуктуаций; АР, Ат, ДБ, Амв, Адв – составляющие неопределенности измерения, обусловленные соответственно рассогласованием измерительного тракта, конечностью времени измерения, неточностью балансировки измерителя флуктуаций, многочастотным возбуждением исследуемого СВЧ генератора, медленными изменениями параметров блока обработки сигнала измерителя флуктуаций за время между соседними операциями калибровки.

Оценку каждой входной величины и связанную с ней неопределенность и(х,) получают из распределения возможных значений входной величины. Для оценки входной величины, которая не была получена в результате повторных наблюдений, связанная с ней стандартная неопределенность определяется на базе научного суждения, основанного на всей доступной информации о возможной изменчивости входной величины.

Определив коэффициенты чувствительности С(х,) и степень корреляции между входными величинами, запишем выражение для суммарной стандартной неопределенности относительной спектральной плотности мощности амплитудных флуктуаций в виде

Выражение (2) является законом распространения неопределенностей.

Были проведены вычисления по формуле [2] для следующего конкретного случая: РВх=Ю мВт,

f=92.4 ГГц, тдм.к= -70 дБ, Fam.k=10 кГц, получаем суммарную стандартную неопределенность измерения uc(SAM(10 кГц))=1.24 дБ.

Расширенную неопределенность получают путем умножения суммарной стандартной неопределенности на коэффициент охвата к:

U = kuc(SAU)                                     (3)

Определяя уровень доверия равным 95%, выбираем коэффициент охвата к=2.0 [3]. Следовательно, расширенная неопределенность результата измерения U(SAM(10 кГц))=1.24*2=2.5 дБ. Тогда, оцененное действительное значение SAM(F) можно записать в виде SAM(10 кГц)=(-70+2.5) дБ (к=2.0; Р=0.95).

I.    Заключение

Анализ полученного выражения [2] в числовых значениях неопределенностей выявил, что основной вклад в значение суммарной стандартной неопределенности результата измерения относительной спектральной плотности мощности амплитудных шумов СВЧ сигнала вносят: неопределенность определения коэффициента Кф; неопределенность, обусловленная медленными изменениями параметров измерителя флуктуаций; неопределенность измерения переменных составляющих выходного напряжения детектора и корреляционная связь между ними. Вместе эти неопределенности вносят 92% в суммарную неопределенность результата измерения.

Анализ влияния источников неопределенности на результат измерения выявил пути повышения точности измерения: определение коэффициента Кф необходимо проводить с помощью более точного гетеродинного метода; операции калибровки измерителя необходимо проводить перед каждой операцией измерения; для измерения выходного напряжения детектора необходимо использовать АЦП с большим количеством разрядов и прецизионный канал обработки аналогового сигнала.

Анализ показал, что при выполнении данных рекомендаций можно ожидать значение суммарной неопределенности измерения не более +0.8 дБ.

II.   Список литературы

[1]    ДзисякА. Б., Гусинский А. В., Кострикин А. М., Алябьева И. И. Измеритель амплитудных, частотных и фазовых флуктуаций сигналов в 3-х миллиметровом диапазоне длин волн, XI MHTK СВЧ техника и телекоммуникационные технологии, Севастополь, 2001, С. 575-578.

[2]     Вельский А. Я., Гусинский А. В., Дзисяк А. Б., Кострикин А. М. Особенности калибровки измерителей флуктуаций миллиметрового диапазона длин волн,

XII MHTK СВЧ техника и телекоммуникационные технологии, Севастополь, 2002, С. 532-534.

[3]     International vocabulary of basic and general terms in metrology. Международный словарь основных и общих терминов в метрологии. Женева, Швейцария 1993.

[4]     Точность методов испытаний – Определение сходимости и воспроизводимости образцового метода испытаний по результатам межлабораторных сличений.

METROLOGICAL PERFORMANCE ANALYSIS OF MICROWAVE NOISE METER

Dzisiak A. B.

Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics Minsk – 220013, Belarus

Tel.: + 375-17-239-84-96; e-mail: i.am.abd@tut.by http://www.mwml ab. com

Abstract – The results of uncertainty sources analysis of microwave signal amplitude noise measuring are presented.

I.  Introduction

The intensive development of radio electronics determines the new requirements to quality of using microwave signals. It is necessary to perfect methods of amplitude and phase noise measurement of microwave signals. In the verification and testing measuring laboratory of microwave frequency equipment and devices of BSUIR the 3-mm and 8-mm wavelength range microwave noise meters, calibration methods and algorithms are being developed. It is necessary to investigate metrology performances of microwave noise meters, possible measuring uncertainty sources and its influence on total value of uncertainty.

II.  Main part

The estimation of uncertainty of amplitude noise measuring was made according to a procedure explained in [4]. For definition of a relative spectral density value of amplitude noise power the direct detecting method is used. The detected signal is convertered to the numeric code and is processed in Fourier spectral analyzer. The special calibration and normalization operations are used before measuring.

The mathematical model of relative spectral power density of microwave signal amplitude noise measuring looks like [1].

Having defined sensitivity factors C(xj) and correlation degree between input values, we shall note expression for distribution of standard measuring uncertainty as [2].

Evaluations by formula [2] (for the case P|N=10 mW, f=92.4 GHz, гпдм.к = -70 dB, FAm.k=10 kHz) give us the value of standard uncertainty uc(SAM(10 kHz))=1.24 dB. Expanded uncertainty therefore U(SAM(10 kHz))=1 .24*2=2.5 dB. Then, the results of calibration signal measuring is SAM(10 kHz)=(-70±2.5) dB (k=2.0; P=0.95).

III.  Conclusion

The analysis of received expression [2] has revealed that the basic contribution to standard measurement uncertainty (92%) brings in the uncertainty of definition of factor Кф; sluggish changes of meter parameters in time; uncertainty of output detector voltage variable components measuring and correlation between its.

To improve microwave noise meter measurement accuracy it is necessary: determine factor Кф using heterodyne method; for measuring of output detector voltage use 12-16 bit ADC and precision processing unit. In this case it is possible to expect a value of standard uncertainty no more than ±0.8 dB.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты