Měření šumového čísla a šumových parametrů

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ v PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra elektromagenetického pole

Měření šumového čísla a šumových parametrů Diplomová práce

Vedoucí práce: Ing. Přemysl Hudec, CSc. Vypracoval: Bc. Milan Příhoda

květen 2010

Abstrakt Cílem této práce je realizovat měřící systém pro měření šumového čísla a šumových parametrů. Měřící systém využívá Y metodu pro měření šumového čísla. Systém se sestává z několika přístrojů, které jsou počítačově řízeny softwarem vytvořeným v prostředí NI LabWindows. Práce je rozdělena na několik částí. V první teoretické části jsou vysvětleny a odvozeny nutné závislosti pro měření šumového čísla a šumových parametrů. Další část práce popisuje realizaci měřícího systému, jeho parametry, nejistoty a verifikaci měření. V poslední části práce je několik ukázek praktických měření s navrženým systémem.

Klíčová slova: šumové číslo, šumový činitel, šumové parametry, měření, Y metoda

Abstract The aim of this work is to implement a measurement system for measuring noise figure and Noise parameters. The measurement system uses a Y a method for measuring noise figure. The system consists of several devices that are controlled by computer software developed in NI LabWindows environment. The thesis is divided into several parts. The first section explains the theoretical and derive necessary depending on the measurement noise figure and Noise parameters. Another part describes the implementation of the measurement system, its parameters, the uncertainty of measurement and verification. The last part contains a few examples of practical measurements with the proposed system. Keywords: noise figure, noise factor, noise parameters, measurements, Y method

iii

Poděkování Rád bych zde poděkoval Ing. Přemyslu Hudcovi CSc. za konzultace, připomínky a vedení práce. Dále pak Prof. Ing. Karlu Hoffmannovi CSc. za cenné rady v oblasti měření. V neposlední řadě bych rád poděkoval své rodině, Evě a Donaldovi E. Knuthovi nejen za jeho báječný typografický systém.

iv

Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci měření šumového čísla a šumových parametrů vypracoval samostatně a použil jsem k tomu literaturu, kterou uvádím v seznamu přiloženém k diplomové práci. Nemám námitky proti půjčování, zveřejnění a dalšímu využití práce, pokud s tím bude souhlasit katedra elektromagnetického pole.

V Praze 1.5.2010

.......................................... Milan Příhoda

v

Obsah Seznam použitých symbolů

viii

Seznam použitých zkratek

ix

Seznam obrázků

x

Seznam tabulek

xi

1 Úvod

1

2 Šum 2.1 Tepelný – Johnsonův šum . . . . . . . 2.1.1 Šumový výkon . . . . . . . . . 2.2 Šumový činitel a šumové číslo . . . . . 2.2.1 Ekvivalentní šumová teplota . . 2.2.2 Friisův vztah . . . . . . . . . . 2.2.3 Šumový činitel pasivních prvků 2.3 Šumové parametry . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

2 2 3 5 5 6 7 8

3 Metody měření šumového čísla 3.1 Y metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Zdroj šumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Kalibrace, korekce . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Měření neznámého dvoubranu . . . . . . . . 3.2 Y metoda – měření v širším kmitočtovém pásmu . 3.2.1 Dual side band měření . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Metoda pro korekci hodnot při DSB měření 3.2.3 Single side band měření . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

11 11 12 13 14 15 15 16 17

4 Měření šumových parametrů 4.1 Určení šumových parametrů z naměřených dat . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Laneho metoda (metoda nejmenších čtverců) . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Modifikovaná Laneho metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18 19 19 21

5 Realizace měřícího systému 5.0.3 HP8970A, měřič šumového čísla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.0.4 Zdroj šumu, HP346B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22 23 24

vi

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . . . .

26 26 27 28 30 32 33 37 39 39 43

6 Měření s navrženou sestavou 6.1 Měření LNA v systému 75Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Měření zesilovače mini-circuits ZVA-213 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70 . . . . . . . . . . . . .

46 46 48 49

7 Závěr

54

Literatura

56

5.1 5.2 5.3

5.0.5 Generátor HP8350 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.0.6 Syntezátor Agilent E8257D . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.0.7 Impedanční tuner MT893A01 . . . . . . . . . . . . . . . . 5.0.8 Nejistoty měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz 5.1.1 Vyhodnocení nejistot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Měření atenuátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHz . . . . . . . . . . 5.2.1 Vyhodnocení nejistot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Měření atenuátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sestava pro měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . . . .

A Návod k použití obslužného software A.1 Konfigurace a nastavení přístrojů . . A.2 Ovládání řídícího programu . . . . . A.2.1 Volba frekvencí . . . . . . . . A.2.2 Načtení hodnoty ENR . . . . A.2.3 Měření šumového čísla . . . . A.2.4 Kontrola stability . . . . . . . A.2.5 Měření šumových parametrů

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

57 57 58 58 58 59 61 61

B Dokumentace zdrojového kódu B.1 Souhrn zdrojových souborů . . . . . . . . . . . . . . . B.2 nfm_control.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2.1 Funkce specifické pro řízení přístroje HP8970A B.2.2 Pomocné funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . B.3 gen_control.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.4 tuner_control.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

63 63 64 64 66 67 69

. . . . . . .

vii

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

Seznam použitých symbolů B c G Ga Gins f F NF k L N Ni No Si,j T Tcold Te Thot T0 W

Šířka pásma [Hz] Rychlost světla 300 · 108 ms Zisk [−] Dosažitelný zisk [−] Vložený zisk [−] Frekvence [Hz] Šumové činitel [−] Šumové číslo [dB] h i J Boltzmannova konstanta 1.38 · 1024 K Útlum [−] Výkon šumu [W] Výkon šumu na vstupu [W] Výkon šumu na výstupu [W] S-parametry [−] Teplota [K] Teplota šumového zdroje ve stavu cold [K] Ekvivalentní šumová teplota [K] Teplota šumového zdroje ve stavu hot [K] Teplota 290 K energie [J]

viii

Seznam použitých zkratek DSB DUT ENR GPIB SSB TEM VNA

Dual side band Device under test, měřený dvoubran Excess noise ratio General Purpose Interface Bus Single side band Transverzálně elektromagnetická vlna,vid Vector network analyzer, vektorový analyzátor

ix

Seznam obrázků 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Tepelný šum rezistoru . . . . . . Tepelný šum rezistoru . . . . . . Johnsonův šum . . . . . . . . . . Ekvivalentní šumová teplota . . Šumový činitel kaskády . . . . . Šumový činitel pasivních obvodů Model šumového dvoubranu . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

2 3 3 6 6 7 8

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Měření šumového čísla Y metodou . Kalibrace měření Y metodou . . . . Y-metoda, měření v širším pásmu . DSB měření . . . . . . . . . . . . . . Korekce DSB měření, první měření . Korekce DSB měření, druhé měření Korekce DSB měření, třetí měření . SSB měření . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

11 13 15 16 16 16 17 17

4.1 4.2

Měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funkce popisující závislost šumového činitele dvoubranu na vstupním odrazu Γs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

5.1 5.2 5.3 5.4

Zjednodušené blokové schéma přístroje HP8970A . . . . . . . . . . . . . . . 23 Zdroj šumu HP346B s přidaným atenuátorem . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Zkalibrované impedanční body v rovině S11 pro kmitočet 4 GHz . . . . . . 27 Závislost nejistoty měření δN Fdut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranu Fdut , Gdut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Schéma měřící sestavy v pásmu 10 MHz – 1500 MHz . . . . . . . . . . . . . 30 Postup činnosti obslužného software při měření . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Odrazy v měřící trase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Závislost nejistoty měření δN Fdut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranu Fdut , Gdut se započteným vlivem odrazů měřící trasy a měřeného dvoubranu 33 Závislost nejistoty měření na přizpůsobení vstupu a výstupu měřeného dvoubranu, pro Fdut = 5 db, Gdut = −5 db . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Závislost nejistoty měření na přizpůsobení vstupu a výstupu měřeného dvoubranu, pro Fdut = 3 db, Gdut = 16 db . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Průběhy měření atenuátoru se zdrojem šumu EN R = 15 dB . . . . . . . . . 35 Průběhy měření atenuátoru se zdrojem šumu EN R = 5 dB . . . . . . . . . 35

5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12

. . . . . . .

x

19

5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26

Porovnání zprůměrovaných měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Pohled na HP8970A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Schéma sestavy pro měření v pásmu nad 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . 37 Postup činnosti obslužného software při měření . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Odrazy v měřící trase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 DSB měření atenuátoru bez filtru na vstupu HP8970A, EN R = 15 dB, směšovač ZEM-4300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Závislost nejistoty měření δN Fdut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranu Fdut , Gdut se započteným vlivem odrazů měřící trasy a měřeného dvoubranu 40 DSB měření atenuátoru s DP 300 MHz na vstupu HP8970A, EN R = 15 dB, směšovač ZEM-4300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 DSB měření atenuátoru s DP 300 MHz na vstupu HP8970A, EN R = 5 dB, směšovač ZEM-4300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Zprůměrovaná měření 5 dB atenuátoru měřeného různými směšovači . . . . 42 Pohled na měřící sestavu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Schéma měřící sestavy pro měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . 43 Příklad výběru bodů v prvním a druhém kroku měření . . . . . . . . . . . 44 Postup činnosti obslužného software při měření . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10

Měření v systému 75Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Porovnání naměřených hodnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Šumové číslo zesilovače ZVA-213 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma měřící sestavy pro měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . Substrát Cuclad 233 pro měření v měřícím držáku . . . . . . . . . . . . . . Kalibrace tuneru včetně trasy s DC blokem a měřícím držákem . . . . . . . Kalibrace tuneru pro měření šumových parametrů tranzistoru v držáku . . Pohled na měřící držák s průchozím páskem pro kalibraci . . . . . . . . . . Pohled na měřící sestavu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hodnoty odrazu nastavené tunerem a body optimálního šumového přizpůsobení pro frekvenci 6 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46 47 48 49 50 50 51 52 52

A.1 A.2 A.3 A.4 A.5 A.6

Hlavní okno řídícího programu . . . . . . . . . . . Okno s nastavením pro měření šumového čísla . . Okno s nastavením pro měření šumového čísla . . Vynesený průběh změřeného šumového čísla . . . . Okno pro kontrolu stability a graf odchylek měření Okno pro nastavení měření šumových parametrů .

58 59 59 60 61 62

xi

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

53

Seznam tabulek 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

Vliv průměrování naměřených hodnot na potlačení nežádoucích šumů [2] Vybrané parametry přístroje HP8970A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vybrané GPIB příkazy přístroje HP8970A . . . . . . . . . . . . . . . . . Vybrané parametry zdroje šumu HP345B . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vybrané GPIB příkazy přístroje HP8350 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vybrané GPIB příkazy přístroje E8257D . . . . . . . . . . . . . . . . . . Použité směšovače pro měření mimo základní pásmo . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

22 24 24 25 26 26 37

6.1 6.2

Šumové parametry tranzistoru EPA060B-70 pro vybrané frekvence, katalogová hodnota. Uds = 5 V, Ids = 50 mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Změřené šumové parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49 51

A.1

Volby konfiguračního souboru pro obslužný software . . . . . . . . . . . . .

57

B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6

Popis zdrojových souborů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vybrané proměnné zdrojového souboru nfm_control.c . . . . . . . . . Hodnoty proměnné, která nastavuje RF atenuátor přístroje HP8970A Hodnoty proměnné, která nastavuje IF atenuátor přístroje HP8970A . Vybrané proměnné zdrojového souboru gen_control.c . . . . . . . . . Vybrané proměnné zdrojového souboru tuner_control.c . . . . . . . .

63 64 64 65 67 69

xii

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Kapitola 1

Úvod V mnoha oborech radioelektroniky se setkáváme s problémem přijímat nebo měřit slabé signály. Měřící přístroj nebo přijímač který má na vstupu „šumící“ zesilovač nebude mít dobrou dynamiku díky špatnému odstupu měřeného signálu od šumového pozadí. To je jeden z mnoha důvodů proč má cenu zabývat se měřením šumového čísla mikrovlnných součástek, bloků, systémů. Přesné určení šumových parametrů mikrovlnných tranzistorů je nezbytné pro návrh nízkošumových zesilovačů. Výrobci mikrovlnných tranzistorů sice ve svých katalogových listech uvádí šumové parametry, avšak zpravidla neuvádí v jaké konfiguraci, v jakém vedení a v jaké rovině jsou šumové parametry změřené. Cílem práce je navrhnout měřící systém pro měření šumového čísla a šumových parametrů a vytvořit řídící software pro samočinné měření. Přístroje použité pro stavbu systému jsou propojené po sběrnici GPIB a USB. Řídící program je vytvořen v prostředí NI LabWindows. Umožňuje měření šumového čísla, šumových parametrů, export naměřených dat do souboru. Kapitola 2 je ryze teoretická, zabývá se odvozením šumového výkonu, šumového činitele a šumového čísla. Kapitoly 3 a 4 se zabývají měřením šumového čísla Y metodou a měřením šumových parametrů. Vztahy odvozené v těchto kapitolách jsou implementovány ve zdrojovém kódu ovládacího programu. Měřící systém je popsaný v kapitole 5. Měřící systém má několik konfigurací, podle toho v jakém frekvenčním pásmu je měření požadováno. Ukázky měření různých dvoubranů jsou v kapitole 6. Dokumentace zdrojového kódu je obsažena přímo ve zdrojových souborech, které jsou společně s přeloženým programem na přiloženém CD. Manuál k ovládání řídícího software je v příloze A. Stručná dokumentace zdrojového kódu pak v příloze B.

1

Kapitola 2

Šum Šum v elektronických obvodech je signál, který vzniká v různých prvcích obvodu zpravidla nahodilými procesy. Podle způsobu generace šumu rozlišujeme několik druhů šumu – tepelný, výstřelový, blikavý atd.

2.1

Tepelný – Johnsonův šum

→ N [W]

Tepelný 1 šum vzniká v elektronických prvcích náhodným pohybem elektronů. Pohyb ustává při teplotě absolutní nuly, tj. T = 0 K, tehdy ustane i generace tepelného šumu.

   

Re

0

  

)

NRi

Na

Ri

→ R [Ω]

Obr. 2.1: Tepelný šum rezistoru V zapojení podle obr. 2.2 je připojený rezistor na vstup „šumícího“ zesilovače. Bude-li hodnota rezistoru Ri = 0 Ω bude výkon na výstupu zesilovače tvořen pouze výkonem šumu Na , který je produkován zesilovačem, viz obr. 2.1. V případě nenulové hodnoty rezistoru Ri 1

Byl prvně měřen Johnem Johnsonem v Bellových Laboratořích. Harry Nyquist pak na základě jeho měření podal vysvětlení ohledně tvorby tepelného šumu. Občas se tepelný šum označuje jako Johnsonův nebo také Johnson-Nyquistův.

2

Tepelný – Johnsonův šum bude výkon na výstupu zesilovače tvořen součtem šumového výkonu, který produkuje samotný zesilovač a šumového výkonu, který produkuje rezistor a je zesílen zesilovačem. Z grafu 2.1 je také patrné, že rezistor, který by produkoval stejně velký šumový výkon jako samotný zesilovač má hodnotu Re . Připojení sériové kombinace rezistoru Ri a Re na vstup bezšumového zesilovače (viz obr.2.2b) bude na výstupu produkovat stejný šumový výkon jako zapojení se šumícím zesilovačem podle 2.2a.

Re

Ri

Ri

a Reálný šumící zesilovač

b Bezšumový zesilovač

Obr. 2.2: Tepelný šum rezistoru

2.1.1

Šumový výkon

Následující příklad podle obr.2.3 popisuje situaci, kdy jsou dva rezistory o velikosti R spojeny úsekem bezeztrátového koaxiálního vedení délky l o charakteristické impedanci Z = R . V případě, že jsou oba spínače rozpojeny, je celé vedení přizpůsobené a veškerý šumový výkon vznikající v jednom z rezistorů je dokonale absorbován v druhém. Celý systém má stejnou teplotu a tedy tepelné šumy generované v obou rezistorech jsou shodné [1]. l

S1

R

R

Obr. 2.3: Johnsonův šum 3

S2

Tepelný – Johnsonův šum Pokud jsou oba přepínače S1 i S2 sepnuté, vedení je zakončeno dokonalým odrazem. Z obvodu se stává rezonátor rezonující TEM videm na frekvenci podle 2.1. c 2l

(2.1)

2c 3c nc , f3 = , ..., fn = 2l 2l 2l

(2.2)

f1 = A další harmonické podle 2.2 f2 =

fn − fm =

nc mc − 2l 2l

n − m = ∆f

2l c

(2.3) (2.4)

Je-li kT energie každého módu pak lze psát.

2l (2.5) c Polovina této energie je dodávána do systému každým z rezistorů. Energie dodávaná jedním rezistorem je W = (n − m)kT = kT ∆f

W l = kT ∆f 2 c

(2.6)

Protože cl představuje čas, který je potřeba proto aby vlna urazila vzdálenost l, tedy délku vedení, lze šumový výkon vyjádřit jako [1]: W = N = kT ∆f = kT B 2l/c

4

(2.7)

Šumový činitel a šumové číslo

2.2


Šumový činitel dvoubranu je definován jako poměr signálu a šumu na vstupu a signálu a šumu na výstupu Si Ni So No

F = Je-li zisk dvoubranu definován jako G =

So Si ,

F =

(2.8)

pak platí:

No GNi

(2.9)

Šum na výstupu dvoubranu je dán součtem podle 2.10 No = Na + GNi

(2.10)

kde Na je přidaný šum dvoubranem. Vztah 2.9 lze pak psát jako F =

Na + GNi GNi

(2.11)

Přičemž Ni představuje šum na vstupu dvoubranu podle 2.7. F =

Na + GkTo B Na = +1 GkTo B GkT0 B

(2.12)

Z čehož je patrné, že šumový činitel závisí na teplotě T . Z tohoto důvodu musí být při měření šumového činitele na vstupu měřeného zařízení vždy šumová teplota Ti = To = 290K 2 . Šumový činitel vyjádřený v decibelech se nazývá šumové číslo N F = 10 log F

2.2.1

(2.13)

Ekvivalentní šumová teplota

Te je ekvivalentní šumová teplota na vstupu ideálně bezšumového dvoubranu, který by produkoval přidaný šumový výkon Na . Pokud na vstup reálného dvoubranu připojíme zdroj šumu o výkonu kT0 B, bude na výstupu šumový výkon podle 2.10. Pokud reálný dvoubran nahradíme ideálně bezšumovým dvoubranem a ekvivalentní šumovou teplotu reálného dvoubranu Te připočítáme k teplotě zdroje šumu, pak je šumový výkon generovaný zdrojem šumu dán vztahem 2.14 a je shodný se šumovým výkonem na výstupu reálného šumícího dvoubranu viz obr. 2.4. N = k(T0 + Te )B

(2.14)

Šumový výkon na výstupu dvoubranu lze vyjádřit: No = kTe BG + kT0 BG No = 2

16.8◦ C

| {z }

Na

5

| {z }

+ GNi

(2.15)


Na = GkTe B → Te =

Dosazením 2.16 do 2.12

F =

Na GkB

(2.16)

Te + 1 → Te = (F − 1) T0 T0

Te , F , G

(2.17) G

290 K + Te

290 K

a Reálný dvoubran

b Bezšumový dvoubran

Obr. 2.4: Ekvivalentní šumová teplota

2.2.2

Friisův vztah

Při kaskádním zapojení několika dvoubranů je na vstupu prvního z nich šumový výkon kT0 B

G1 , F1

G2 , F2

G3 , F3

Gn , Fn

kT0 B

Obr. 2.5: Šumový činitel kaskády Šum přidaný každým dvoubranem je Nan = (Fn − 1) kT0 B

(2.18)

Výstupní šumový výkon na konci kaskády je No = kT0 BG1 G2 G3 ...Gn + Na1 G1 G2 G3 ...Gn + Na2 G2 G3 ...Gn + ... + Nan Gn a (2.19) No = kT0 B(G1 G2 G3 ...Gn + (F1 − 1) G1 G2 G3 ...Gn

+ (F2 − 1) G2 G3 ...Gn + (F3 − 1) G3 ...Gn + ... + (Fn − 1) Gn ) 6

(2.20)

Šumový činitel a šumové číslo Dosazením do vztahu 2.9, získáváme tzv. Friisův vztah. No kT0 BG1 G2 G3 ...Gn

F

=

F

= F1 +

F2 − 1 F3 − 1 Fn − 1 + + ... + G1 G1 G2 G1 G2 ...Gn−1

Te = Te1 +

2.2.3

(2.21)

Te2 Te3 Ten + + ... + G1 G1 G2 G1 G2 ...Gn−1

(2.22) (2.23)

Šumový činitel pasivních prvků

Mikrovlnné systémy neobsahují jen aktivní obvody, které vykazují kladný zisk, ale také atenuátory, vedení, vazební členy a pod. Tyto prvky také přispívají značnou měrou k šumovému činiteli celého systému. kT0 B

kT0 B L

Atenuator L

Obr. 2.6: Šumový činitel pasivních obvodů Na atenuátor o útlumu L podle obr.2.6 je přiveden šumový výkon kT0 B ze zdroje šumu. Po průchodu atenuátorem je šumový výkon snížen na hodnotu kTL0 B , přičemž zbývající část energie je absorbována atenuátorem, ze kterého je v podobě efektivní teploty Teemis

Nemis = kT0 B 1 − Teemis =

1 L

1−

1 L

= kTeatt B

T0 (2.24)

efektivní šumová teplota atenuátoru je Te = Teemis L = (L − 1) T0

(2.25)

šumový činitel atenuátoru je F =

Te (L − 1) T0 +1= +1=L T0 T0

7

(2.26)

Šumové parametry

2.3

Šumové parametry

Pro šumovou analýzu a návrh zesilovačů je nutné kromě šumového činitele brát v úvahu i další šumové parametry. Schéma podle obr.2.7 představuje model pro šumový dvoubran, přičemž z vlastního šumového dvoubranu jsou vyjmuty všechny šumové zdroje. Ty jsou nahrazeny zdrojem šumového napětí en a zdrojem šumového proudu in . Obvod je připojen ke generátoru s admitancí Ys , který je současně zdrojem šumového proudu ins . Protože jsou všechny šumové zdroje vyjmuty ze samotného šumového dvoubranu, je možné řešit šumový činitel v rovině 1–1’ [7]. Šumový činitel je v tom případě N1 F = (2.27) Ns kde Ns je šumový výkon generátoru a N1 je dosažitelný šumový výkon na výstupu, tj. v rovině 1-1’. Výkon N1 lze určit ze celkového šumového proudu inc . en

ins

Bezšumový dvoubran

in

Ys

Obr. 2.7: Model šumového dvoubranu Celkový šumový proud inc lze určit superpozicí jednotlivých proudů od výše popsaných zdrojů inc = ins − in − Ys en (2.28)

Výkon signálu je definován jako střední kvadratická hodnota. Výkon šumu 3 v rovině 1-1’, tj. N1 je tedy: h

E |inc |2 h

E |inc |2

i

i

= E [(ins − (in + en Ys )) (ins − (in + en Ys ))∗ ] h

i

h

i

h

= E |ins |2 − 2ℜ {E [ins ((in + en Ys )∗ ]} + E |in + en Ys |2

Protože střední hodnota šumu je nulová, E [in ] = 0, lze 2.29 upravit h

i

h

E |inc |2 = E |ins |2 + E |in + en Ys |2

i

i

(2.29)

(2.30)

Šumový proud in a šumové napětí en jsou náhradní zdroje, které modelují vnitřní (skutečné) zdroje šumu v daném tranzistoru – obecně dvoubranu. Proto je nutné počítat s tím, že mohou být do určité míry navzájem korelované (mají alespoň částečně stejný původ). Z toho důvodu je výhodné zavést: in = inn + Ycor en (2.31) 3

Výkon šumu je z definice nekonečný, ale to pouze v případě, že je frekvenčně neomezený. V našich úvahách je šumový výkon omezen šířkou pásma B a je tedy konečný

8

Šumové parametry kde inn je označena nekorelovaná část proudu, naopak 100% korelovaná složka proudu in je vyjádřena pomocí zdroje en a korelační admitance Ycor [7]. Dosazením 2.31 do 2.28 se vyjádří celkový proud inc = ins − (inn + Ycor en + Ys en ) = ins − inn − en (Ycor + Ys )

(2.32)

Protože všechny tři členy ve vztahu 2.32 jsou nekorelované (nezávislé), lze vyjádřit střední kvadratickou hodnotu jako: h

i

h

h

i

i

i

h

h

E |inc |2 = E |ins |2 + E |inn |2 + |Ycor + Ys |2 E |en |2 Šumový činitel podle 2.27 je po dosazení F =

E |inc |2 h

E |ins |

2

i =1+

h

E |inn |2 h

2

E |ins |

i

i +

h

E |en |2 h

E |ins |

i

i

2

i |Ycor + Ys |2

(2.33)

(2.34)

Lze zavést ekvivalentní šumové vodivosti a odpory a vztah 2.34 přepsat podle 2.36 h

E |ins |2 h

E |inn |2 h

E |en |2

F =1+

i

i

i

= 4kT0 BGs = 4kT0 BGn = 4kT0 BRn

Gn Rn + |Ycor + Ys |2 Gs Gs

(2.35) (2.36)

Přičemž Ycor a Ys jsou korelační admitance a admitance generátoru, které lze rozepsat do tvaru Ycor = Gcor + jBcor a Ys = Gs + jBs F =1+

G n Rn + (Gcor + Gs )2 + (Bcor + Bs )2 Gs Gs

(2.37)

Rn ,Gn a Ycor = Gcor + jBcor jsou čtyři šumové parametry, které mohou být vypočteny z několikanásobného měření F pro různé admitance na vstupu, tj. admitance generátoru Ys Derivací výrazu 2.37, lze najít hodnoty vstupní admitance, pro které bude hodnota šumového činitele minimální. = −Bcor

Bsopt Gsopt

=

r

Gn Rn

+ Gcor

(2.38)

Dosazením optimálních hodnot vodivosti a susceptance generátoru zpět do 2.37 vychází minimální šumový činitel. (2.39) Fmin = 1 + 2Rn Gsopt + Gc

Rovnici 2.37 lze po úpravě psát jako: F = Fmin +

2 2 Rn Rn (Gs − Gso pt )2 + Bs − Bsopt Ys − Ysopt = Fmin + Gs Gs

9

(2.40)

Šumové parametry Fmin , Rn , Ysopt = Gsopt + jBsopt je další možná čtveřice šumových parametrů, které popisují závislost šumového činitele na vstupní admitanci, tj. admitanci generátoru Ys . Pokud bude admitance generátoru rovna optimální hodnotě Ys = Ysopt , bude šumový činitel dvoubranu minimální a bude se rovnat hodnotě Fmin Pro mikrovlnné obvody je výhodné používat šumové parametry, které založené na jsou jϕ s-parametrech. Taková čtveřice šumových parametrů je Fmin , Rn , Γsopt = Γsopt e a rovnice příslušící pro tuto čtveřici parametrů:

2

Γs − Γs Rn opt F = Fmin + 4 Z0 1 + Γs 2 1 − |Γs |2

10

opt

(2.41)

Kapitola 3

Metody měření šumového čísla 3.1

Y metoda

Y metoda měření šumového čísla využívá zdroj šumu, který lze přepínat mezi dvěma stavy šumového výkonu. Samotný měřič šumového výkonu je pak wattmeter s pevně definovanou šířkou pásma B

Tshot

Fdut , Tedut , Gdut

Frec , Terec

Device under test

Receiver

Nohot , Nocold

Tscold

Obr. 3.1: Měření šumového čísla Y metodou Y metoda je běžnou metodou pro měření šumového čísla. Metoda využívá dvou identických zdrojů šumu s odlišnou šumovou teplotou nebo jednoho zdroje, u něhož lze šumovou teplotu přepínat. Y faktor je definován jako poměr šumových výkonů mezi výše zmíněnými stavy šumového výkonu. Tyto dva stavy jsou označovány jako hot a cold nebo on a off. Y =

N hot N cold

(3.1)

Šumový výkon zdroje šumu ve stavu hot a cold je: Nicold = kTscold B Nihot =

kTshot B 11

(3.2)

Y metoda je šumový výkon na výstupu celé měřící trasy dán podle vztahu 2.10, kde šum přidaný měřící trasou má ekvivalentní šumovou teplotu Te Nocold = kTe BG + kTscold BG = kTe BG + kTshot BG

Nohot

(3.3)

po dosazení do definičního vztahu 3.1 Y metody kTe BG + kTscold BG kTe BG + kTshot BG

(3.4)

Te + Tscold Te + Tshot

(3.5)

T hot − Y T cold Y −1

(3.6)

T hot − Y Tscold + T0 (Y − 1) Tshot − Y Tscold + Y T0 − T0 = s T0 (Y − 1) T0 (Y − 1)

(3.7)

1 T hot − T0 Tshot − T0 = s T0 (Y − 1) T0 (Y − 1)

(3.8)

Y =

Y = Vyjádřením Te získáme Te = Dosazením 3.6 do 2.17: F =

V případě, že Tscold = T0 , pak lze psát F =

3.1.1

Zdroj šumu

Důležitým parametrem je ENR – Excess Noise Ratio, který určuje rozdíl mezi stavy hot a cold a je definován jako: EN R = Vyjádřením TShot z 3.9

Tshot − Tscold T0

TShot = EN R T0 + TScold

(3.9) (3.10)

a dosazením do vztahu 3.7 z vznikne výraz pro výpočet šumového činitele. V případě, že teplota Tscold je 290K pak T0 = Tscold . TShot − T0 T0 Pak lze šumový činitel s ohledem na 3.8 vyjádřit jako: 1 F = EN R Y −1 EN R =

Fdb = EN RdB + log Kde EN RdB je:

1 Y −1

= EN RdB − log (Y − 1)

EN RdB = 10 log (EN R) 12

(3.11)

(3.12) (3.13) (3.14)

Y metoda

3.1.2

Kalibrace, korekce

Při zapojení podle obr.3.1 je výsledný šumový činitel dán Friisovým vztahem, neboť se jedná o kaskádu dvoubranů. Frec − 1 (3.15) Fsys = Fdut + Gdut Fsys je výsledný šumový činitel celé kaskády, tj. měřeného dvoubranu a měřiče šumového čísla – receiveru. Ze vztahů je patrné, že pro výpočet Fdut je nutné znát Frec , šumový činitel samotného receiveru. Pro jeho zjištění je nutné měření šumového činitele celé trasy bez vloženého dvoubranu. Toto měření je označováno jako kalibrace.

Frec , Terec Receiver

Tshot

hot , N cold N2o 2o

Tscold

Obr. 3.2: Kalibrace měření Y metodou Při tomto zapojení je šumový činitel kaskády podle Friisova vztahu Fsys = Frec

(3.16)

Y faktor měřený při kalibraci receiverem je poměr šumových výkonů, které receiver měří. Tyto šumové výkony jsou dány šumovými teplotami zdroje šumu a samotného receiveru. Podle 3.5 je Y poměr dán hot N2o T rec + Tshot Y2 = cold = erec (3.17) Te + Tscold N2o neboli

Tshot − Y2 Tscold Y2 − 1

(3.18)

1 Tshot − Y2 Tscold + T0 (Y2 − 1) T hot − T0 = s T0 (Y2 − 1) T0 (Y2 − 1)

(3.19)

Terec =

Šumový činitel receiveru je podle 3.7 a 3.8 vyjádřen jako: Frec =

Pro výpočet je nutná znalost Tshot a Tscold a nebo častěji ENR. Výsledné Frec je Frec = EN R

13

1 Y2 − 1

(3.20)

Y metoda

3.1.3

Měření neznámého dvoubranu

Jak bylo uvedeno výše, při měření šumového čísla Y metodou je měřený šumový činitel dán Friisovým vztahem. Frec − 1 (3.21) Fdut = Fsys − Gdut Přičemž šumový činitel Frec je známý z kalibrace. Výsledný šumový činitel se opět určí stejným postupem jaký byl popsán v kapitole o kalibraci. Y12 = T12 =

hot N12 cold N12

(3.22)

Tshot − Y12 Tscold Y12 − 1

(3.23)

1 Y12 − 1

(3.24)

Ze znalosti ENR se vypočte šumový činitel celé trasy včetně vloženého dvoubranu. Fsys = EN R Zbývá určit zisk měřeného dvoubranu. Gdut =

hot − N cold N12 12 N2hot − N2cold

(3.25)

Šumový činitel měřeného dvoubranu se určí dosazením známých Frec Fsys a Gdut do vztahu 3.21, který se označuje jako second stage correction.

14

Y metoda – měření v širším kmitočtovém pásmu

3.2


Pro zvětšení frekvenčního rozsahu je možné použít směšovače a měřič šumového čísla využít jen jako mezifrekvenční jednotku. Jsou možné dvě varianty měření. Jedna varianta je s laditelným generátorem, pak je měřič šumového čísla pevně nastaven na kmitočet mezifrekvence. Druhá možnost je s pevně nastaveným kmitočtem oscilátoru a proměnná je mezifrekvence. kalibrace

DUT

fin

fmf

Receiver

Tshot , Tscold

flo Obr. 3.3: Y-metoda, měření v širším pásmu

3.2.1

Dual side band měření

Pokud je při měření pevně nastavena mezifrekvence a pro přelaďování se používá generátor, je obtížné filtrovat jedno postranní pásmo, protože je také nutné zajistit dostatečně vyhovující přeladitelný filtr. Používá se „konverze dolů“ a na výstupu směšovače se vyskytují produkty

ale také (viz obr 3.4):

fmf = fin1 − flo

(3.26)

fmf = flo − fin2

(3.27)

Znamená to, že při konverzi dochází k sečtení šumového výkonu na výstupu DUT na kmitočtu fin1 ale také fin2 . Pokud je šumový faktor a zisk DUT na obou frekvencích shodný, je měřený šumový výkon dvojnásobkem výkonu jednoho postranního pásma. Pokud má však DUT na obou kmitočtech různý šumový faktor nebo zisk, je měření chybné. Jeden z možných způsobů jak eliminovat výše popsanou potenciální chybu, je zvolit fmf dostatečně malé, tak aby rozdíl kmitočtů fin1 a fin2 byl co nejmenší a tím pádem i možný rozdíl v hodnotách šumového faktoru a zisku měřeného dvoubranu byl co nejmenší. Ze vztahu 2.9, lze určit výstupní šumový výkon. F =

No → No = F (fin ) G (fin ) Ni (fin ) = (F GN )fin GNi

(3.28)

Celkový výstupní šumový výkon při měření DSB, je: NoDSB = (F GN )fin1 + (F GN )fin2 15

(3.29)

Y metoda – měření v širším kmitočtovém pásmu Fdut (f )

fmf

fin2 flo

fin1

Obr. 3.4: DSB měření Pokud jsou šumové výkony na obou kmitočtech shodné, lze šumový faktor určit jako: F =

3.2.2

NoDSB GNi

(3.30)

Metoda pro korekci hodnot při DSB měření

V [5] je popsána metoda, kterou lze korigovat výše popsanou chybu. Měří se tři různé šumové výkony pro různá nastavení generátoru i mezifrekvence, tak aby se odečetly šumové výkony na nežádoucích kmitočtech. Fdut (f )

fmeas

flo

fmeas + 2fmf

Obr. 3.5: Korekce DSB měření, první měření Chceme-li měřit šumový výkon na kmitočtu fmeas , bude při DSB měření docházet k sečtení výkonů podle 3.31 Ze vztahu 2.9 lze určit výstupní šumový výkon na základě vstupního šumového výkonu, zisku a šumového čísla. Šumový výkon na výstupu měřeného dvoubranu je pak pro jednotlivá měření dán vztahy 3.31, 3.32, 3.33. N1 = (F GNi )fmeas + (F GNi )fmeas +2fmf Fdut (f )

fmeas − 2fmf

flo

fmeas

Obr. 3.6: Korekce DSB měření, druhé měření

16

(3.31)


N2 = (F GNi )fmeas −2fmf + (F GNi )fmeas

(3.32)

Fdut (f )

fmeas − 2fmf

flo = fmeas

fmeas + 2fmf

Obr. 3.7: Korekce DSB měření, třetí měření N3 = (F GNi )fmeas −2fmf + (F GNi )fmeas +2fmf

(3.33)

No = N1 + N2 − N3 = 2 (F GNi )fmeas

(3.34)

F =

3.2.3

No N1 + N2 − N3 = GNi GNi

(3.35)

Single side band měření

Je-li kmitočet generátoru pevně nastaven, využívá se k přelaďování změna mezifrekvence. Díky tomu, že je kmitočet generátoru nastaven fixně, je možné celé jedno postranní pásmo odfiltrovat. Fdut (f )

fin2 flo

fin1

Obr. 3.8: SSB měření Měřič šumového čísla zpracovává pouze jeden produkt: fmf = fin1 − flo Díky tomu odpadají problémy s příjmem signálu na nežádoucím kmitočtu.

17

(3.36)

Kapitola 4

Měření šumových parametrů Existuje několik metod pro měření šumových parametrů. Přímá metoda vychází z definičního vztahu a je založena na nalezení takového odrazu na vstupu měřeného dvoubranu, aby tento měl minimální šumový činitel. Tato metoda se však v praxi nepoužívá, protože časová náročnost hledání Γopt je značná a dále vyžaduje možnost připojit na vstup tranzistoru velké množství známých odrazů.

2

Γs − Γs Rn opt F = Fmin + 4 Z0 1 + Γs 2 1 − |Γs |2 opt

(4.1)

Pro nastavení různých vstupních Γs se často používá automatizovaných systémů s elektronicky řízeným mechanickým tunerem, který je schopen v dostatečně širokém frekvenčním pásmu nastavit potřebné množství přesně známých odrazů na bráně, ke které je připojen měřený dvoubran. Čtveřici šumových parametrů, Γsopt , Rn , Z0 lze v takovém zapojení určit měřením šumového činitele pro alespoň čtyři hodnoty odrazu Γs na vstupu dvoubranu a řešením soustavy čtyřech rovnic. Γin

Tuner

DUT Γs

Tshot , Tscold

Obr. 4.1: Měření šumových parametrů

18

Receiver Γout

Určení šumových parametrů z naměřených dat

7

F [−]

6

5

4

3 1 0.5

1 0.5

0 0

−0.5 Imag(Γs)

−0.5 −1

−1

Real(Γs)

Obr. 4.2: Funkce popisující závislost šumového činitele dvoubranu na vstupním odrazu Γs Funkce na obrázku 4.2 představuje závislost popsanou rovnicí 4.1. Funkce nabývá právě jednoho minima v bodě Γopt

4.1


Určení šumových parametrů z naměřeného souboru hodnot Fi = f (Γsi ) resp. Fi = f (Ysi ) není možné řešit přímo řešením soustavy rovnic, protože jednotlivá měření jsou zatížena chybou a řešení by nebylo jednoznačné. Bylo navrženo několik metod pro určení šumových parametrů.

4.1.1

Laneho metoda (metoda nejmenších čtverců)

Metoda podle [9] využívá metody nejmenších čtverců k určení šumových parametrů z naměřených dat. F = Fmin +

Rn |Ys − Yopt |2 Gs

19

(4.2)

Určení šumových parametrů z naměřených dat Původní rovnici pro určení šumových parametrů, lze přepsat jako: F = A + BGs +

C + BBs2 + DBs Gs

(4.3)

kde A, B, C, D je nová čtveřice parametrů, z nichž lze šumové parametry určit podle vztahů 4.4 – 4.7 Fmin = A +

p

4BC − D2

(4.4)

Rn = B 4BC − D2 Gopt = 2B −D Bopt = 2B

(4.5) (4.6) (4.7) (4.8)

Rovnice 4.9 je lineární aproximace funkce 4.3 pro n měření, kde Fi jsou jednotlivé naměřené hodnoty šumového činitele pro různé vstupní admitance Gsi + jBsi . Parametr W pak váhuje jednotlivá měření. To je užitečné například pokud mají měření různou přesnost a je možné je pomocí tohoto parametru ohodnotit.

n 1X Bsi ǫ= Wi A + B Gsi + 2 i=1 Gsi

C DBsi + + − Fi Gsi Gsi

2

(4.9)

Pro určení parametrů A, B, C, D, je třeba najít minimum funkce 4.9. Po zderivování 4.9 pro jednotlivé parametry vznikne soustava 4 rovnic 4.10 – 4.13 ∂ǫ ∂A

kde

=

∂ǫ ∂B

=

∂ǫ ∂C

=

∂ǫ ∂D

=

n X

i=1 n X i=1 n X

i=1 n X i=1

Wi P = 0 Wi

(4.10)

B2 Gsi + si Gsi

!

P =0

(4.11)

Wi

1 P =0 Gsi

(4.12)

Wi

Bsi P =0 Gsi

(4.13)

B2 P = A + B Gsi + si Gsi

!

+

C DBsi + − Fi Gsi Gsi

(4.14)

Rozepsáním koeficientů pro jednotlivé neznámé A, B, C, D, z jednotlivých rovnic 4.10 4.13 do matice S a koeficientů pravých stran do vektoru t lze řešit soustavu výše uvedených rovnic. Sx = t (4.15)

20


 Pn

i=1 Wi

   Pn  i=1 Wi Q    S =  Pn 1  i=1 Wi Gsi    P  n Bsi  i=1 Wi G si

Pn

Pn

i=1 Wi

Pn

Pn

Bsi i=1 Wi Gsi Q

Pn

             

Q = Gsi +

4.1.2

Bsi n=1 Wi Gsi Q Bsi n=1 Wi G2

Wi i=1 G2 si

Pn

si

Pn

Wi i=1 Gsi Q

Wi i=1 Gsi Q

    Wi Fi Q   t=  Wi Fi 1  Gsi    Bsi  Wi Fi G

Bsi n=1 Wi Gsi

Pn

Q2

Wi Fi

Pn

Wi i=1 Gsi

Pn



kde

Pn

i=1 Wi Q

2 Bsi n=1 Wi G2

Pn

Bsi i=1 Wi G2

si



A

si

si

              



       B        x=   C         D  2 Bsi Gsi

(4.16)

Modifikovaná Laneho metoda

Modifikovaná Laneho metoda váhuje jednotlivá měření pomocí parametru W tak, že měřením s malým naměřeným šumovým činitelem přiřazuje největší váhu podle vzorce 4.17. Měření, která mají v souboru naměřených dat nejmenší hodnotu šumového činitele jsou blíže hodnotě Γopt resp.Yopt a jejich váhování vyšší hodnotou Wi vede na přesnější určení optima Γopt resp. Yopt [10]. 1 (4.17) Wi = 2 Fi

21

Kapitola 5

Realizace měřícího systému Navržený měřící systém je schopen měřit šumové číslo v rozsahu od 10 MHz – 1.5 GHz v případě použití vlastního rozsahu přístroje HP8970A. V rozsahu nad 1.5 GHz byla sestava testována se syntezátorem Agilent E8257D a několika různými směšovači, které pokryly pásmo do 15 GHz. Rozsah měření je shora omezen dostupným směšovačem (max 15 GHz) a zdrojem šumu (HP346B max. 18 GHz a HP346C max. 26.5 GHz) Sestava pro měření šumových parametrů obsahuje navíc elektronicky řízený tuner Maury MT893. Tuner je použitelný v rozsahu 4 GHz - 26.5 GHz, ale frekvenční omezení platí shodná jako v případě měření šumového čísla. Základem měřící sestavy je měřič šumového čísla HP8970A, který je pomocí GPIB sběrnice připojen k počítači s řídícím softwarem. Řídící software na HP8970A střídavě nastavuje stavy hot a cold a využívá HP8970A k měření šumového výkonu v těchto dvou stavech. Z naměřených hodnot šumového výkonu určuje šumové číslo a zisk, ale také umožňuje uložit celou sadu naměřených dat včetně přímo naměřených hodnot šumového výkonu pro případnou pozdější korekci. Pro měření na každém kmitočtu se provádí průměrování. Ačkoliv přístroj HP8970A umožňuje vlastní průměrování naměřených dat, naměřená data se průměrují až softwarově v počítači. Průměrování hodnot má při měření šumového čísla velký vliv, neboť šum je náhodný signál a průměrování velkého množství měření eliminuje vnější šumy, které zkreslují měření. Počet průměrovaných měření

Redukce nežádoucích šumů šumů [%]

1 4 10 16 64 100 256

0 50 68.4 75.0 87.5 90.0 93.75

Tab. 5.1: Vliv průměrování naměřených hodnot na potlačení nežádoucích šumů [2]

22

5.0.3

HP8970A, měřič šumového čísla

HP8970A je přístroj pro měření šumového čísla Y metodou, v rozsahu kmitočtů 10 − 1500 MHz. Obsahuje trojí konverzi, přičemž první konverze je nahoru, na mezifrekvenci 2050 MHz. První konverzí nahoru se odstraní problém se zrcadlovým kmitočtem na vstupu přístroje. Další dva směšovače konvertují dolů, na 300 MHz a poté 20 MHz. 20 MHz pásmové propusti v poslední sekci směšovačů mají šířku pásma 4 MHz a detektor tak měří šumový výkon v této šířce pásma. 1550 MHz

1550 MHz

5000 MHz

300 MHz

20 MHz

22 dB

300 MHz

1750 MHz

2060 − 3550 MHz

15 dB

2050 MHz

20 MHz

20 MHz

280 MHz

D

Řídící jednotka

A

28 V

display, klávesnice

HP-IB

Paměť

Obr. 5.1: Zjednodušené blokové schéma přístroje HP8970A Šířka pásma figuruje v definičním vztahu šumového výkonu. Pokud by se pomocí tohoto přístroje měřil obvod, jenž by měl šířku pásma menší než 4 MHz, výpočet šumové teploty z naměřeného výkonu by byl chybný. Řídící elektronika generuje průběh napětí pro zdroj šumu. Průběh je obdélníkový a přepíná zdroj šumu mezi stavy hot a cold . Tímto průběhem je ve zdroji šumu napájena dioda, která šum produkuje. Ve stavu hot je na výstupu pro napájení šumového generátoru 28 V.

23

Měření šumového čísla Rozsah Nejistota měření Měření zisku Rozsah Nejistota měření Vstup Frekvenční rozsah Maximální vstupní výkon Odraz na vstupu Šumové číslo

0 ÷ 30 dB 0.1 dB

Při EN R ≈ 15 dB

−20 ÷ 40 dB 0.2 dB 10 ÷ 1500 MHz −10 dBm |Γ| < 0.26 (< −11.7 dB) < 7 dB + 0.003 dB/MHz

Tab. 5.2: Vybrané parametry přístroje HP8970A Ve zdrojovém kódu jsou všechny funkce týkající se ovládání přístroje HP8970A umístěné v souboru nfm_control.c. Stručná dokumentace jednotlivých funkcí je umístěna v příloze B.1. Funkce pro ovládání HP8970A využívají GPIB komunikace. V tabulce 5.3 je několik GPIB příkazů. GPIB příkaz MH MC Q1 FRxMZ Ix Rx

Popis Nastaví přístroj pro měření šumového výkonu ve stavu hot . Na pravém displayi je zobrazována měřená hodnota šumového výkonu. Řídící napětí pro zdroj šumu je nastaveno na 28 V. Nastaví přístroj pro měření šumového výkonu ve stavu cold . Řídící napětí pro zdroj šumu je nastaveno na 0 V. Přístroj odesílá data ihned jakmile jsou prohlášena za platná. Nastaví frekvenci na x MHz. Nastaví IF atenuátor (x = 0 → auto) viz B.1. Nastaví RF atenuátor (x = 0 → auto) viz B.1. Tab. 5.3: Vybrané GPIB příkazy přístroje HP8970A

5.0.4

Zdroj šumu, HP346B

Volba vhodného zdroje šumu může značnou mírou ovlivnit výsledky měření. Zdroje šumu se liší různým ENR a podle parametrů měřeného dvoubranu je třeba určit, která varianta bude výhodnější. Použití šumového zdroje s malým ENR, tj ≈ 6 dB připadá v úvahu pro případ měření dvoubranů s šumovým číslem do 16 − 18 dB Výhody zdroje šumu s malým ENR jsou následující: • Malý výstupní výkon redukuje možné problémy způsobené nelinearitou měřeného dvoubranu • Malý rozdíl v impedanci ve stavech hot a cold . Zdroje šumu s EN R = 6 dB obsahují vestavěný atenuátor, který redukuje nepřizpůsobení.

24

Frekvenční rozsah Odraz na výstupu 10 ÷ 30 MHz 30 ÷ 5000 MHz 5000 ÷ 18000 MHz

10 ÷ 18000 MHz 0.13 0.07 0.11

Tab. 5.4: Vybrané parametry zdroje šumu HP345B

Obr. 5.2: Zdroj šumu HP346B s přidaným atenuátorem Výkon na výstupu Výkon na výstupu zdroje šumu je parametr, který určí jaký největší zisk může mít dvoubran vložený do měřící trasy, udává-li výrobce maximální hodnotu výkonu na vstupu přístroje HP8970A jako −10 dBm. Bude-li teplota prostředí Tcold shodná s teplotou T0 pak podle 3.10 je teplota šumového zdroje ve stavu hot Thot = (290 · EN R) + 290 = 9460 K

(5.1)

Výkon šumu na výstupu, při šířce pásma B = 18 GHz − 10 MHz a EN R ≈ 15 dB je Nhotdb = 10 log (kThot B) = −86.3 dBm

(5.2)

Úprava HP346B Šumový zdroj HP346B jehož nominální hodnota EN R = 15 dB není právě díky vyšší hodnotě ENR vhodný pro měření dvoubranů se šumovým číslem menším jak ≈ 15 dB. Přidáním přesně změřeného atenuátoru na výstup HP346B dojde k redukci ENR. A také potlačení rozdílu mezi odrazem ve stavu hot a cold .

25

5.0.5

Generátor HP8350

Generátor HP8350 je mainframe s možností různých plug-in jednotek. Použitá jednotka HP83597B umožňuje generovat signál v rozsahu 0, 01 ÷ 40 GHz. Přístroj lze ovládat po GPIB sběrnici. Generátor je v měřícím systému použit v případě měření nad rozsah měřiče šumového čísla jako lokální oscilátor ke směšovači. Funkce pro ovládání generátoru jsou umístěny v souboru gen_control.c. GPIB příkaz FRxGZ PLxDB CW RF1 RF0 MD1 MD0

Popis Nastaví frekvenci na x GHz Nastaví výstupní úroveň na x dBm Nastaví výstup do CW režimu Zapne výstup generátoru Vypne výstup generátoru Zapne modulaci generátoru Vypne modulaci generátoru

Tab. 5.5: Vybrané GPIB příkazy přístroje HP8350

5.0.6

Syntezátor Agilent E8257D

Syntezátor Agilent E8257D umožňuje generovat signál v rozsahu 250 kHz÷50 GHz. V měřícím systému může být použit namísto HP8350 protože díky své koncepci má čistější frekvenční spektrum a přesnější nastavení výstupního výkonu na rozdíl od HP8350. Stejně jako v případě generátoru HP8350 jsou veškeré funkce pro ovládání syntezátoru umístěny v souboru gen_control.c. Stručná dokumentace k tomuto souboru je v příloze B.3. GPIB příkaz FREQ x HZ POW:AMPL x dBm OUTP:STAT ON OUTP:STAT OFF OUTP:MOD ON OUTP:MOD OFF

Popis Nastaví frekvenci na x Hz Nastaví výstupní úroveň na x dBm Zapne výstup generátoru Vypne výstup generátoru Zapne modulaci generátoru Vypne výstup generátoru

Tab. 5.6: Vybrané GPIB příkazy přístroje E8257D

26

5.0.7

Impedanční tuner MT893A01

Elektronicky řízený tuner Maury MT893A01, je dvoubran, který umožňuje nastavení koeficientu odrazu Γ v rozsahu od 0 do 0.81 a to ve frekvenčním pásmu 4 ÷ 26.5 GHz Tuner obsahuje tři motory, označené jako carrier, probe1 a probe2. Tuner je připojen ke kontroléru Maury MT1050C, který je po USB rozhraní spojen s řídícím počítačem. Pomocí kontroléru je možné nastavovat absolutní pozice motorů, ale pro určení přesné hodnoty S-parametrů pro zvolené nastavení motorů je nutné tuner nejprve zkalibrovat pomocí vektorového analyzátoru.

Obr. 5.3: Zkalibrované impedanční body v rovině S11 pro kmitočet 4 GHz Kalibrace se provádí pomocí programového vybavení dodaného k tunerům. Kalibruje se v diskrétních bodech, se vzájemnou konstantní vzdáleností ve Smitově diagramu viz obr. 5.3. Vzájemná konstantní vzdálenost bodů platí pouze pro jednu vybranou bránu tuneru. Kalibrační soubor obsahuje přiřazení změřených S-parametrů k polohám motorů. Ve zdrojovém kódu řídícího software jsou všechny funkce týkající se ovládání tuneru umístěny v souboru tun_control.c. Pro ovládání tuneru je použita knihovna MLibTuners.dll dodávaná výrobcem. Knihovna poskytuje několik základních funkcí: nastavení kontroléru, výběr použitého typu tuneru, funkce pro získání aktuální polohy motorů a nastavení polohy motorů. Stručný popis funkcí implementovaných v souboru tun_control.c je v příloze B.4.

27

5.0.8

Nejistoty měření

Šumové číslo měřeného dvoubranu je funkcí několika veličin. Fdut = f (Fsys , Frec , Gdut )

(5.3)

Na základě vztahu 3.21 lze podle zákona o šíření nejistot, určit nejistotu typu B měření šumového činitele dvoubranu. δFdut Po derivaci

v !2 u 2 2 u ∂F ∂Fdut ∂Fdut dut t δFsys + δFrec + = δGdut

∂Fsys

δFdut

∂Frec

(5.4)

∂Gdut

v u u δFrec 2 + = t(δFsys )2 + −

Frec − 1 δGdut G2dut

Gdut

!2

(5.5)

Pro vyjádření nejistoty měření šumového čísla je nutné přepočítat šumový činitel podle vztahu N F = 10 log (F ) (5.6)

2 1.8 1.6 1.4

δ NF [dB]

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10

10

9

8

7

G [dB]

6

5

4

3

2

1

0

NF [dB]

Obr. 5.4: Závislost nejistoty měření δN Fdut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranu Fdut , Gdut

28

Nejistota pro logaritmickou závislost se určí jako δN F dN F δN F

= δ [10 log (F )]

(5.7)

1 = d [10 log (F )] = dF F ln (10) δF = 4.34 F

Dosazením do vztahu 5.4 δN Fdut =

s

Fsys δN Fsys Fdut

2

+

Frec δN Frec Gdut Fdut

2

+

Frec − 1 δGdutdb Fdut Gdut

2

(5.8)

Zbývají určit nejistoty měření N Fsys , N Frec , Gdutdb . Ve zjednodušeném přiblížení lze jako hodnoty těchto nejistot použít přímo nejistoty měření přístroje HP8970A [2] δN Fsys = δN Frec = 0.1 dB, δGdut = 0.2 dB. Na obrázku 5.4 je graf, který vykresluje závislost nejistoty měření šumového čísla na zisku a šumovém čísle měřeného dvoubranu. Je patrné, že největší nejistota měření nastává při měření dvoubranu s malým ziskem i šumovým číslem.

29

Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz

5.1


V nejnižším kmitočtovém pásmu je měření šumového čísla realizováno přímo pomocí měřiče šumového čísla, který je přeladitelný v pásmu 10MHz – 1500, MHz. Přístroj je řízen po sběrnici tak, že pro každý nastavený kmitočet měří několikrát hodnotu vstupního výkonu pro stav hot a cold a měřená data průměruje. Veškeré další výpočty vedoucí k určení šumového čísla jsou realizovány řídícím softwarem. Před samotným měřením, je nutné celou měřící trasu zkalibrovat. Po kalibraci je možné měřit i na frekvenci, která nebyla obsažena v kalibraci, ale leží mezi dvěma frekvenčními body, které zkalibrovány byly. Data se aproximují lineárně. Stejným způsobem se aproximuje hodnota ENR, která je udána jen v několika bodech. kalibrace

HP345B

DUT

HP8970A

Řídící počítač

GPIB

Obr. 5.5: Schéma měřící sestavy v pásmu 10 MHz – 1500 MHz

Postup měření je krok za krokem vysvětlen v diagramu na obrázku 5.6. Nejprve je přístroj HP8970A inicializován (resetován). Poté je ovládání nastavitelných atenuátorů uvnitř přístroje uvedeno do stavu auto. Průměrování přístroje HP8970A je vypnuto, resp nastaveno na n = 1 a frekvence přístroje je nastavena na počáteční frekvenci, která je nastavena v řídícím software. Měřící cyklus obsahuje celkem dvě smyčky, v jedné se opakovaně nastavuje stav hot a cold než proběhne požadovaný počet měření k zprůměrování. Tato hodnota se nastavuje z ovládacího rozhraní řídícího software. Po změření a zprůměrování zvoleného množství hodnot se přeladí přístroj HP8970A na následující frekvenci a následuje opět opakované měření hodnot výkonu ve stavech hot a cold .

30


Start

(j ≥ c) nebo stop měření ?

Inicializace přístroje počáteční nastavení

P

n = počet frekvencí c = počet opakování i = 0, j = 0

hoti = P c j coldj coldi = c hot

Zvýšení frekvence HP8970 i=i+1

Ne

Nastavení hot čtení hodnoty

Nastavení cold čtení hodnoty

j =j+1

(i ≥ n) nebo stop měření ?

Zpracování hodnot

Ne

j=0

Konec

Obr. 5.6: Postup činnosti obslužného software při měření 31


5.1.1

Vyhodnocení nejistot

Nejistoty měření se téměř neliší od popisu měření nejistot uvedených v kapitole 5.0.8. Pro takto konkrétně sestavenou trasu je třeba ještě započítat nejistoty vzniklé nepřizpůsobením jednotlivých prvků trasy. Γnf m

Γin HP345B

DUT

HP8970A

Γns

Γout

Obr. 5.7: Odrazy v měřící trase Nejistota vzniklá nepřizpůsobením se určí ze vztahu 5.9. usource−load = max (±20 log (1 ± |Γsource | |Γload |))

(5.9)

Nejistoty měření N Frec , N Frec , Gdut se určí jako kombinovaná standardní nejistota z nejistot samotných přístrojů a nejistot způsobených nepřizpůsobením. δN Frec = δN Fsys = δGdut =

q

(uns−nf m )2 + (δN F )2

(5.10)

q

(uns−dut )2 + (δN F )2

(5.11)

(udut−nf m )2 + (uns−nf m )2 + (uns−dut )2 + (δG)2

(5.12)

q

(5.13)

Dosazením rovnic 5.10, 5.11, 5.12 do 5.8 a dosazením konkrétních hodnot odrazů použitých přístrojů, lze určit výslednou nejistotu měření tímto systémem. Graf představující závislost nejistoty měření na šumovém čísle a zisku samotného měřeného dvoubranu je na obrázku 5.8. Do závislosti jsou započítány hodnoty nejistot, vstupních a výstupních odrazů použitých přístrojů. Jako hodnota odrazu měřeného dvoubranu byla vzata hodnota −15 dB. Závislost nejistoty měření na přizpůsobení měřeného dvoubranu je na obr. 5.9 a 5.10. Závislost nejistot na vstupních a výstupních odrazech je vynesena pro různé hodnoty Fdut a Gdut . Z grafů je patrný vliv zisku dvoubranu. Nejistota vlivem nepřizpůsobení je u dvoubranů s vysokým ziskem menší.

32


4 3.5 3

δ NF [dB]

2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10

10

6

8

4

2

0

NF [dB]

G [dB]

Obr. 5.8: Závislost nejistoty měření δN Fdut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranu Fdut , Gdut se započteným vlivem odrazů měřící trasy a měřeného dvoubranu

5.1.2

Měření atenuátoru

Pro ověření funkčnosti měřícího systému bylo provedeno 10 měření šumového čísla atenuátoru o nominální hodnotě 5 dB. Podle vztahu 2.26 je šumové číslo pasivního prvku stejně velké jako jeho útlum. S-parametry měřeného atenuátoru byly získány na vektorovém analyzátoru. Atenuátor byl měřen dvakrát. Nejprve s použitím EN R = 15 dB a poté EN R = 5 dB. Na obr. 5.11 a 5.12 jsou znázorněny průběhy všech 10-ti měření atenuátoru pro obě hodnoty ENR. V souboru naměřených dat je patrný vliv zdroje šumu s menší hodnotou ENR. Zprůměrované hodnoty všech měření pro oba typy zdroje šumu jsou porovnány v grafu na obr. 5.13.

33


25

δ NF [dB]

20 15 10 5 0 0 0

−10 −10 −20

−20 −30

Γ out

−30

Γ in

Obr. 5.9: Závislost nejistoty měření na přizpůsobení vstupu a výstupu měřeného dvoubranu, pro Fdut = 5 db, Gdut = −5 db

1.5

δ NF [dB]

1

0.5

0 0 0

−10 −10 −20 Γ out

−20 −30

−30

Γ in

Obr. 5.10: Závislost nejistoty měření na přizpůsobení vstupu a výstupu měřeného dvoubranu, pro Fdut = 3 db, Gdut = 16 db 34


NF [dB]

5.5

5

4.5

0

200

400

600

800 1000 Frekvence [MHz]

1200

1400

1600

NF atenuatoru, smoothing=25 S21 atenuatoru zmereneho na VNA

Obr. 5.11: Průběhy měření atenuátoru se zdrojem šumu EN R = 15 dB

NF [dB]

5.5

5

4.5

0

200

400

600


1200

1400

1600


Obr. 5.12: Průběhy měření atenuátoru se zdrojem šumu EN R = 5 dB

35


5.5 5.45 5.4 5.35

NF [dB]

5.3 5.25 5.2 5.15 5.1 5.05 5 0

200

400

ENR=15dB

600

800 1000 Frekvence [MHz] ENR=5dB

1200

S12 atenuatoru

Obr. 5.13: Porovnání zprůměrovaných měření

Obr. 5.14: Pohled na HP8970A

36

1400

1600

Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHz

5.2


Sestava pro měření v pásmu nad základní rozsah měřiče šumového čísla obsahuje navíc generátor (syntezátor) a směšovač. Pro pokrytí celého pásma je nutné použití několika různých směšovačů. Typ směšovače

Frekvenční pásmo

Mini-circuits ZEM-4300 Mini-circuits ZX05-153-S+ Mini-circuits ZMX-10G

300 − 4300 MHz 3400 − 15000 MHz 3700 − 10000 MHz

Doporučený budící výkon na bráně LO 7 dBm 7 dBm 7 dBm

Tab. 5.7: Použité směšovače pro měření mimo základní pásmo Použité směšovače nemají příliš dobré přizpůsobení bran a díky vznikajícím odrazům v trase roste i nejistota měření. Při měření na kmitočtech menších než 1500 MHz se vyskytuje veliká odchylka měření viz obr. 5.18. Chyba je způsobena pronikáním signálu z oscilátoru do vstupu HP8970A. Přidáním dolní propusti před vstup HP8970A se tato odchylka výrazně potlačí viz obr. 5.20, 5.21.

kalibrace

HP345B

DUT

HP8970A


GPIB

Obr. 5.15: Schéma sestavy pro měření v pásmu nad 1.5 GHz Postup měření je vysvětlen diagramem na obr. 5.16. Na rozdíl od měření v základním pásmu, je frekvence HP8970A v průběhu měření pevně nastavena a celý přístroj slouží jako mezifrekvenční jednotka. Protože je použito DSB měření, mění se frekvence generátoru. Ten je nastaven do CW režimu, tj. bez jakékoliv modulace. Měřící cyklus probíhá obdobně jako v případě měření v základním pásmu.

37


Start

(j ≥ c) nebo stop měření ?

Inicializace přístrojů počáteční nastavení

P

n = počet frekvencí c = počet opakování i = 0, j = 0

hoti = P c j coldj coldi = c hot

Zvýšení frekvence generátoru i=i+1

Zapnutí výkonu generátoru

Ne

Nastavení hot čtení hodnoty

Nastavení cold čtení hodnoty

j =j+1

(i ≥ n) nebo stop měření ?

Vypnutí výkonu generátoru

Ne

j=0

Zpracování hodnot

Konec



5.2.1

Vyhodnocení nejistot

V systému se směšovačem jsou nejistoty měření doplněny o nejistoty vzniklé nepřizpůsobením bran směšovačů. Celková nejistota je opět určena ze vztahu 5.8. Dílčí nejistoty měření N Frec , N Fsys a Gdut vycházejí z 5.10, 5.11 a 5.12. Γmixrf

Γin HP345B

Γnf m

DUT

HP8970A

Γns

Γmixif

Γout

Obr. 5.17: Odrazy v měřící trase Nejistoty měření N Frec , N Frec , Gdut se určí jako kombinovaná standardní nejistota z nejistot samotných přístrojů a nejistot způsobených nepřizpůsobením. Výsledná závislost nejistot je vynesena v grafu na obr. 5.19. Na vstupní i výstupní bráně DUT byla uvažována hodnota |Γ| = −15 dB. Na branách směšovače pak |Γ| = −5 dB. Nejistota δN Frec = δN Fsys = δGdut =

5.2.2

r

uns−mixrf

r

udut−mixrf

q

2

+ umixif −nf m

(uns−dut )2 + (δN F )2 2

2

+ 2 umixif −nf m

Měření atenuátoru

+ (δN F )2

(5.14) (5.15)

2

+ uns−mixrf

2

+ (uns−dut )2 + (δG)2

(5.16)

Pro ověření funkčnosti systému byl stejně jako v předchozím případě měřen 5 db atenuátor. Mezifrekvenční kmitočet byl nastaven na nejnižší možnou mez, tj. 10 MHz. Měření bylo realizováno se třemi různými směšovači, které pokrývají pásmo do 15 GHz viz tabulka 5.7. Při měření v pásmu pod 1500 MHz se vyskytuje značná odchylka měřené hodnoty viz obr 5.18. Odchylka vzniká pronikáním signálu z generátoru díky konečné izolaci bran LO-IF směšovače. Po vložení DP filtru mezi směšovač a vstup HP8970A došlo k potlačení odchylky. V grafu na obr. 5.22 jsou vyneseny naměřené hodnoty atenuátoru s použitím několika směšovačů, tak aby se překrylo větší pásmo. Na rozdíl od měření atenuátoru v pásmu 10 − 1500 MHz se zde vyskytuje větší odchylka měřených hodnot šumového čísla od hodnoty S21 změřené na VNA. Protože měření šumového čísla je skalární měření je odchylka z velké míry způsobena nepřizpůsobením bran směšovače.

39


12.5 12 11.5 11 10.5 10 9.5 NF [dB]

9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 1000

1500

2000


3500

4000

4500


Obr. 5.18: DSB měření atenuátoru bez filtru na vstupu HP8970A, EN R = 15 dB, směšovač ZEM-4300

20 18 16

δ NF [dB]

14 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10

10

6

8

4

2

0

NF [dB]

G [dB]

Obr. 5.19: Závislost nejistoty měření δN Fdut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranu Fdut , Gdut se započteným vlivem odrazů měřící trasy a měřeného dvoubranu 40


12.5 12 11.5 11 10.5 10 9.5 NF [dB]

9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 1000

1500

2000


3500

4000

4500


Obr. 5.20: DSB měření atenuátoru s DP 300 MHz na vstupu HP8970A, EN R = 15 dB, směšovač ZEM-4300

12.5 12 11.5 11 10.5 10 9.5 NF[dB]

9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 1000

1500

2000


3500

4000

4500


Obr. 5.21: DSB měření atenuátoru s DP 300 MHz na vstupu HP8970A, EN R = 5 dB, směšovač ZEM-4300 41


6.5

6

NF[dB]

5.5

5

4.5

4

3.5 0

2000

4000

6000


12000

14000

16000

ZEM-4300 ZMX-10G ZX05-153. S21 atenuatoru zmereneho na VNA

Obr. 5.22: Zprůměrovaná měření 5 dB atenuátoru měřeného různými směšovači

Obr. 5.23: Pohled na měřící sestavu

42

Sestava pro měření šumových parametrů

5.3


Měření šumových parametrů spočívá v měření šumového činitele pro různé hodnoty odrazu na vstupu měřeného dvoubranu. Různých hodnot odrazů lze dosáhnout pomocí elektronicky řízeného přeladitelného tuneru. Ten je připojen na vstup měřeného dvoubranu. K tuneru náleží kontrolér, který je po sběrnici USB připojen k počítači s obslužným software.

MT1020C

kalibrace

HP345B

Γ

DUT

HP8970A


GPIB USB

Obr. 5.24: Schéma měřící sestavy pro měření šumových parametrů Postup měření je vysvětlen na diagramu 5.26. Po inicializaci přístrojů a počátečním nastavení se pro zvolenou frekvenci vybere N bodů1 a absolutní hodnota Γs poblíž které se mají body rovnoměrně rozdělit. Před každým měřením šumového činitele se nejprve tuner nastaví na požadovaný odraz, poté se provede měření šumového činitele a to se celé opakuje pro zvolený počet bodů. Z naměřeného souboru dat tj. Fdut a Ys resp Γs se Laneho metodou nebo modifikovanou Laneho metodou se určí šumové parametry měřeného dvoubranu. Pro přesnější určení bodu Yopt resp. Γopt je možné zapnout druhý měřící cyklus, který na základě vypočteného Yopt vybere M bodů v jeho blízkosti. Po změření se opět pomocí Laneho metody nebo modifikované Laneho metody provede výpočet šumových parametrů. Příklad výběru bodů je ukázán v diagramu na obr. 5.25. V prvním kroku měření bylo zvoleno N = 6 a maximum absolutní hodnoty odrazu Γs = 0.3. Algoritmus vybral 6 bodů, které jsou v diagramu označeny modře. V druhém kroku se vybírají body poblíž vypočteného bodu Γopt , který je znázorněn červeně. Černých M = 6 bodů je vybráno v blízkosti vypočteného optima. Příklad měření šumových parametrů tranzistoru s touto sestavou je popsán v kapitole 6.3. 1

počet N a M je zvolen z uživatelského rozhraní řídícího software

43


Obr. 5.25: Příklad výběru bodů v prvním a druhém kroku měření

44


Výpočet Fmin , Rn , Yopt

Start

Ne

Inicializace přístrojů počáteční nastavení

n = N (počet bodů) C = počet frekvencí i = 0, j = 0, f = 0

(f ≥ C)

Nastavení frekvence f =f +1

Zpracování hodnot

Výběr N bodů

Konec

Krok 2?

Výběr nových M bodů n = M, i = 0

Nastavení Γs i=i+1

Měření Fdut

(i ≥ n)

Ne


Kapitola 6

Měření s navrženou sestavou 6.1

Měření LNA v systému 75Ω

Měření v systému 75Ω nebo obecně v systému o jiné impedanci než je 50Ω vyžaduje použití impedančních transformátorů. V případě kalibrace by se však první transformátor v důsledku Friisova vztahu neuplatnil. Je nutné zvlášť změřit šumové číslo transformátorů a poté provést korekci změřeného šumového čísla LNA včetně transformátorů. kalibrace

HP345B

50/75

LNA

75/50

HP8970A

Měření redukcí

Obr. 6.1: Měření v systému 75Ω Protože jsou použité transformátory odporové, platí že: F =

1 G

(6.1)

Nejprve je nutné změřit obě redukce. Šumový činitel obou redukcí dohromady je dán Friisovým vztahem. Kde FA je celkový šumový činitel obou redukcí vyjádřený pomocí Friisova vztahu. První z redukcí má šumový činitel F50/75 a druhá F75/50 . Předpoklad je, že obě redukce jsou shodné. Díky tomu lze psát F50/75 = F75/50 a dále pak F50/75 = G 1 . 50/75

FA = F50/75 +

F75/50 − 1 = F50/75 + F75/50 − 1 F50/75 G50/75

FA = F50/75 + F75/50 F50/75 − F50/75 46

(6.2) (6.3)

Měření LNA v systému 75Ω F50/75 = F75/50 = G50/75 = G75/50 =

p

p

FA GA =

p

(6.4) (6.5)

FA

Zisk samotného LNA lze vyjádřit jako:

Gdut = GA Glna GA Gdut Glna = GA GA

(6.6) (6.7)

1.5

1.4

30 NF [dB] G [dB] Návrh NF [dB] Návrh G [dB] 25

1.3

20

1.1 15 1

0.9

G [dB]

NF [dB]

1.2

10

0.8 5 0.7

0.6 300

400


700

0 800

Obr. 6.2: Porovnání naměřených hodnot Celkový šumový činitel zesilovače včetně redukcí je opět vyjádřen Friisovým vztahem. Fdut = F50/75 +

F75/50 − 1 Flna − 1 + G50/75 G50/75 Glna

(6.8) (6.9)

Šumový činitel LNA je: Flna =

F75/50 − 1 Fdut − F50/75 − G50/75 Glna

!

G50/75 + 1

(6.10)

Výsledný vypočtený průběh šumového čísla a zisku je spolu s hodnotami výrobce vynesen v grafu na obr. 6.2. 47

Měření zesilovače mini-circuits ZVA-213

6.2

Měření zesilovače mini-circuits ZVA-213

Zesilovač Mini-Circuits ZVA-213+ je podle údajů výrobce širokopásmový zesilovač v rozsahu 800 MHz − 21 GHz. Pro změření zesilovače v širokém pásmu je nutné použití několika směšovačů. Výsledné průběhy jsou vyneseny v grafu 6.3, kde je možné je srovnat s hodnotou udanou v katalogu výrobce. 12 11 10 9

NF [dB]

8 7 6 5 4 3 2 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Frekvence [MHz] Pouze HP8970A ZEM-4300

ZMX-10G ZX05-153-S+

Katalog. hodnoty

Obr. 6.3: Šumové číslo zesilovače ZVA-213 Při měření byl použit syntezátor Agilent E8257D, zdroj šumu HP346B s přidaným atenuátorem, aby výsledná hodnota byla EN R = 5 dB.

48

Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70

6.3


Excelis EPA060B-70 je výkonový FET tranzistor. Výrobce v katalogovém listu uvádí hodnoty šumových parametrů: Frekvence [GHz] 4 6 8 10

|Γopt | [−] 0.35 0.23 0.27 0.35 6

Γopt [◦ ] 96 165 -145 -85

N Fmin [dB] 0.55 0.75 0.92 1.37

Rn/50 [Ω] 0.08 0.06 0.08 0.23

Tab. 6.1: Šumové parametry tranzistoru EPA060B-70 pro vybrané frekvence, katalogová hodnota. Uds = 5 V, Ids = 50 mA Měřící sestava podle obr 6.4 byla použita pro změření šumových parametrů. Pro měření tranzistoru bylo nutné použít vhodný držák. Použitý držák umožňuje přechod z koaxiálního vedení na mikropáskovou strukturu viz obr. 6.8. Pro napájení tranzistoru byly na obě brány držáku připojeny napájecí (DC) bloky. Měřený tranzistor bylo nutné pro měření přilepit vodivým lepidlem na měřící mikropáskový substrát. Použitý substrát byl Cuclad 233, h = 0.5 mm, přičemž tranzistor byl připojen tak, aby byl střed pouzdra tranzistoru přesně v rovině 3-3’.

MT1020C

Γ′s

Γs 10 dB

Γ

HP345B 1 − 1′

EN R

2 − 2′

DC

DUT 3 − 3′

Ugs

EN R′

DC

Uds

HP8970A

Obr. 6.4: Schéma měřící sestavy pro měření šumových parametrů V této rovině bylo také nutné měřit šumové parametry. K tomu je zapotřebí znát hodnotu odrazu v rovině uprostřed tranzistoru, tj. v rovině 3-3’. To znamená změřit hodnoty odrazů 49

Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70 nastavených na tuneru v rovině 3-3’ pomocí vektorového analyzátoru. Pro co možná nejpřesnější určení odrazu v této rovině byl tuner zkalibrován v přesném zapojení, jaké bylo poté použito pro měření šumových parametrů. Na vstupní bránu tuneru byl připojen zdroj šumu, na výstup tuneru napájecí blok a měřící držák viz obr. 6.6 a 6.7. Pomocí obslužného software k tuneru byl řízen VNA a tuner a systém samočinně zkalibroval tuner. Získaný kalibrační soubor obsahuje asi 200 hodnot odrazů změřených v rovině 3-3’.

a Průchozí pásek pro kalibraci

b Měřící pásek s nalepeným tranzistorem

Obr. 6.5: Substrát Cuclad 233 pro měření v měřícím držáku Aby bylo možné měřit pomocí VNA odrazy v rovině 3-3’, bylo třeba zkalibrovat VNA do této roviny metodou OSML. Hodnota ENR, která je definována v rovině 1-1’ je ale v rovině 3-3’ vlivem útlumu trasy odlišná. Pro přesné měření musel být změřen útlum trasy od roviny 1-1’ po rovinu 3-3’ a

Obr. 6.6: Kalibrace tuneru včetně trasy s DC blokem a měřícím držákem 50

Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70 hodnota útlumu odečtena od hodnoty ENR použitého zdroje šumu. Hodnoty ENR’ a Γ′s jsou definovány v rovině 3-3’ a byly použity pro měření. Před samotným měřením bylo nutné provést kalibraci měřícího systému, tj. změřit hodnotu Frec . Vložením substrátu s propojovacím páskem do měřícího držáku se změřil šumový činitel trasy bez vloženého tranzistoru. Pro samotné měření se vložil substrát s tranzistorem. Stejnosměrný pracovní bod byl nastaven na Uds = 5 V a Ids = 50 mA. Γ′s

Γs 10 dB

Γ

HP345B

DC

DUT

VNA

EN R′

EN R

Obr. 6.7: Kalibrace tuneru pro měření šumových parametrů tranzistoru v držáku V diagramu na obr. 6.10 jsou znázorněny měřící hodnoty odrazů, které byly v průběhu měření nastaveny na tuneru. Šestice modrých bodů, byla nastavena při prvním cyklu měření. Po vyhodnocení Yopt resp. Γopt bylo vybráno dalších šest bodů nejblíže vypočtenému Yopt . Černý bod představuje vypočítané Yopt ze souboru všech naměřených dat. Zelený bod pak představuje katalogovou hodnotu. Frekvence [GHz] 4 6 8 10

|Γopt | 0.18 0.16 0.13 0.20 6

Γopt [◦ ] 87.2 152.3 150.4 74.2

N Fmin [dB] 0.99 1.19 1.15 1.15

Rn/50 [−] 0.31 0.19 0.56 6.68

Tab. 6.2: Změřené šumové parametry Změřené hodnoty jsou v tabulce 6.2. Změřené hodnoty pro 4 GHz a 6 GHz korespondují s katalogovou hodnotou. Vyšší kmitočty se značně liší ve fázi. Katalogový list výrobce uvádí pouze stejnosměrný pracovní bod, ale žádné jiné podrobnosti o tom, jak byl tranzistor změřen.

51


Obr. 6.8: Pohled na měřící držák s průchozím páskem pro kalibraci

Obr. 6.9: Pohled na měřící sestavu

52


Obr. 6.10: Hodnoty odrazu nastavené tunerem a body optimálního šumového přizpůsobení pro frekvenci 6 GHz

53

Kapitola 7

Závěr Cílem této práce bylo navrhnout měřící systém pro měření šumového čísla a šumových parametrů a vytvořit ovládací programové vybavení. Navržený měřící systém je schopen měřit šumové číslo v rozsahu 10 MHz÷15 GHz, přičemž horní mez je limitována dostupným směšovačem. Vytvořený ovládací software implementuje Y metodu měření šumového čísla a umožňuje samočinné měření, zobrazení změřených dat a export do souboru. Přesnost použité metody roste se ziskem a šumovým číslem měřeného dvoubranu. Měření šumového čísla je skalární měření a nepřizpůsobení jednotlivých prvků sestavy má značný vliv na zmíněnou přesnost. Funkčnost měřícího systému byla ověřena měřením známé hodnoty atenuátoru a také měřením různých zesilovačů a porovnáním katalogových hodnot. Měření šumových parametrů je založeno na měření šumového čísla (činitele). Z toho vyplývá že je měření šumových parametrů zatíženo stejnými problémy jako použitá Y metoda pro měření šumového čísla. Při měření šumových parametrů nastává problém s vyhodnocením sady naměřených dat. Použitá Laneho metoda nedává zcela přesné výsledky pokud jsou zvolené body odrazu daleko od optima Γopt . Jistou kompenzaci nabízí modifikovaná Laneho metoda, která dává vyšší váhu měřením, která mají nižší šumové číslo než ostatní a jsou tedy blíže optimu Γopt . Verifikace měření byla provedena pouze měřením tranzistoru a naměřené hodnoty se jen částečně shodovaly s katalogovou hodnotou. Pro řádnou verifikaci měření by bylo zapotřebí měřit opět pasivní dvoubran, stejně jako v případě verifikace měření šumového čísla. Některé algoritmy a postupy pro měření šumových parametrů nejsou ideální a pro další pokračování by bylo zapotřebí zabývat se některými z následujících problémů: • Verifikace měření šumových parametrů. Verifikace by mohla být provedena měřením různých jednoduchých odporových článků (PI nebo T ) realizovaných na mikropáskové struktuře. Tyto pasivní odporové dvoubrany by měly být záměrně realizovány pro jiné impedance než 50 Ω tak aby vznikla sada dvoubranů s různým Γopt . • Zpřesnění Y metody. Měření šumových parametrů je zaleženo na měření šumového čísla (činitele), přičemž pro výpočet pomocí aproximace je nutné měření alespoň ve 4 bodech. 54

Malé odchylky jednotlivých měření mohou způsobit velkou odchylku při výsledném určení šumových parametrů. • Použítí lepších algoritmů, které slouží pro výběr odrazů Γs . Současný algoritmus nejpve vybere N bodů z nichž určuje výpočtem optimum Γopt . Pokud je však první N-tice bodů vzdálená od bodu optima Γopt , dopouští se aproximace chyby. V druhém kroku, který by měl měřením další N-tice bodů poblíž vypočteného optima zpřesnit sadu dat, však dojde ke zvětšení chyby právě špatným určením bodu Γopt z prvního měření. Orienační hledání bodu Γopt by mohlo být v prvním kroku iterační bez použití jakékoliv aproximace, která by mohla do tohoto určení vnést chybu.

55

Literatura [1] BRYANT, Geoff. Principles of Microwave Measurements. 1993. ISBN 0863412963. [2] Noise Figure Measurement Accuracy – The Y-Factor Method : Agilent Application Note 57-2. 2004. [3] Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements : Agilent Application Note 57-1. 2006. [4] 10 Hints for Making Succesful Noise Figure Measurements: Agilent Application Note 57-3. 2009. [5] CAROLINE, Collins, et al. A new method for determination of single sideband noise figure. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions. 1994, vol. 42, is. 12, s. 2435-2439. [6] SOKOL, Vratislav, HOFFMANN, Karel, VAJTR, Jiří. Noise figure measurement of highly mismatched DUT. Radioengineering 2003, vol. 12, is. 3, s. 12-15. [7] HOFFMANN, Karel, HUDEC, Přemysl, SOKOL, Vratislav. Aktivní mikrovlnné obvody. 2004. [8] COLLANTES, Juan-Mari, POLLARD, Roger, SAYED, Mohamed. Effects of DUT Mismatch on the Noise Figure Characterization : A Comparative Analysis of Two Y-Factor Techniques. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions. 2002, vol 51, no. 6, s. 1150-1156 [9] LANE, Richard. The determination of Device noise parameters. Proceedings of the IEEE. 1969, vol. 57, Issue 8, s. 1461-1462 . [10] ESCOTTE, Laurent; PLANA, Robert; GRAFFEUIL, Jacques. Evaluation of noise parameter extraction methods. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions. 1993, 41, s. 382-387. ISSN 0018-9480.

56

Příloha A

Návod k použití obslužného software A.1

Konfigurace a nastavení přístrojů

Volba a nastavení použitých přístrojů se provádí pomocí konfiguračního souboru config, který je umístěný ve stejném adresáři jako obslužný program. Pomocí konfiguračního souboru se nastavují GPIB adresy přístrojů, typ tunerů, implicitní cesty ke kalibračním souborům. V následující tabulce je souhrn použitých voleb konfiguračního souboru a jejich popis. Volba ENR TUN TUNLIB TUNNME TUNSER TUNNO TUNPRT TUNDUT CNTLIB CNTNME CNTSER GEN GENBID NFM NFMBID

popis Cesta k souboru s hodnotami ENR Cesta ke kalibračnímu souboru pro tuner Cesta ke knihovně MLibTuners.dll Typ použitého tuneru Sériové číslo použitého tuneru Pořadové číslo použitého tuneru Port kontroléru na něž je tuner připojen Brána tuneru, na níž je nastavován odraz S11 = 0, S22 = 3 Cesta k ovládacímu programu kontroléru Typ použitého kontroléru Sériové číslo kontroléru Použitý generátor (1-HP, 2-Agilent) GPIB adresa generátoru Použitý typ měřiče šumového čísla (1 = HP8970A) GPIB adresa měřiče šumového čísla

Tab. A.1: Volby konfiguračního souboru pro obslužný software Znak # představuje komentář, řádka začínající tímto znakem není zpracována. Ukázka syntaxe konfiguračního souboru: # Konfiguracni soubor TUNNME = ’MT983A01’ TUNSER = ’1078’ 57

Ovládání řídícího programu

A.2 A.2.1

Ovládání řídícího programu Volba frekvencí

V hlavním okně se nastavuje rozsah měřených frekvencí. Pomocí číselných vstupů označených jako Start, Stop a Step lze tlačítkem Add sweep vložit list frekvencí na kterých se má měřit. Rozsahů je možné vložit několik. Jednotlivé frekvenční body lze odebírat tlačítkem Delete. Celý list se smaže tlačítkem Delete all.

Obr. A.1: Hlavní okno řídícího programu Příklad: Je zadáno měření v rozsahu 100 ÷ 300 MHz s krokem 50 MHz a v rozsahu 200 ÷ 225 MHz s krokem 5 MHz. Výběrem hodnot Start, Stop a Step jako 100, 300 a 50 a stisknutím Add sweep a poté výběrem hodnot 200, 225 a 5 a opětovným stiskem tlačítka Add sweep dojde k vytvoření listu žádaných frekvencí. viz obr. A.1

A.2.2

Načtení hodnoty ENR

Standardně se po spuštění programu načítá soubor s hodnotami ENR, který je definovaný v konfiguračním souboru řídícího programu. Název souboru s hodnotami ENR je uveden v textovém poli ve spodní části okna. Je-li potřeba změnit hodnotu ENR, tlačítkem Load... vedle textového pole dojde k vyvolání nabídky pro načtení jiného souboru s hodnotami ENR.

58


A.2.3

Měření šumového čísla

Okno s ovládacími prvky pro měření šumového čísla viz obr. A.2 se vyvolá z menu nabídky Measurement -> Noise figure. V menu Measurement mode je nabídka režimů měření. NFM only je režim měření, kdy je šumové číslo měřeno v pásmu 10 − 1500 MHz přímo měřičem šumového čísla. DSB je režim měření se směšovačem. V tomto režimu jsou v ovládacím okně navíc k dispozici vstupy Output power a IF Freq, kterými lze nastavit výstupní výkon na generátoru a mezifrekvenci, na kterou je nalazen měřič šumového čísla. Smooth je počet opakovaných měření ke zprůměrování a Temperature je hodnota, která se při výpočtech považuje za hodnotu Tcold čili teplotu prostředí.

Obr. A.2: Okno s nastavením pro měření šumového čísla Po nastavení parametrů měření je možné přistoupit ke kalibraci trasy. Zapojením měřící trasy a stiskem tlačítka Calibrate se spustí kalibrace a její průběh znázorňuje poloha modrého pruhu ve spodní části okna.

Obr. A.3: Okno s nastavením pro měření šumového čísla Po provedené kalibraci je možné měření. Sestavením měřící trasy včetně měřeného dvoubranu a stiskem tlačítka Meas se spustí měření. Průběh je opět znázorňován modrým ukazatelem ve spodní části okna. Po skončení měření je možné uložit změřená data do souboru a zobrazit průběh v grafu viz A.4 59


Obr. A.4: Vynesený průběh změřeného šumového čísla V okně grafu je možné nastavit meze osy Y pro potřeby detailního zobrazení nějaké oblasti grafu. Při ukládání dat do souboru se uloží výsledné naměřené a vypočtené hodnoty, ale také hodnoty kalibrace a měření ze kterého se šumové číslo vypočítává. Formát uložených dat je následující: # DUT #FREQ[Hz], NF[dB], GA_INS[dB] 100000000.000000, 4.177254, 12.120892 150000000.000000, 3.951882, 12.450063 200000000.000000, 3.849093, 12.595398 250000000.000000, 3.911973, 12.730405 300000000.000000, 3.930708, 12.761464 # calibration #FREQ[Hz], F_REC[-], HOT_REC[-], COLD_REC[-], ENR[-], #100000000.000000, 3.927838, 0.136713, 0.073075, 3.435579 #150000000.000000, 3.939385, 0.138644, 0.074288, 3.427678 #200000000.000000, 3.913041, 0.144431, 0.077231, 3.419794 #250000000.000000, 4.162167, 0.127350, 0.070113, 3.411929 #300000000.000000, 4.191785, 0.128569, 0.071081, 3.404082 # measurement #FREQ[Hz], F_SYS[-], HOT_SYS[-], COLD_SYS[-], ENR[-], #100000000.000000, 2.796191, 1.886312, 0.849256, 3.435579 #150000000.000000, 2.651415, 2.012175, 0.880825, 3.427678 #200000000.000000, 2.586357, 2.151544, 0.930000, 3.419794 #250000000.000000, 2.630119, 1.906088, 0.832788, 3.411929 #300000000.000000, 2.641127, 1.933606, 0.847881, 3.404082

60


A.2.4

Kontrola stability

Pro ověření stability měření je možné z menu Tools->Stability check vyvolat okno s grafem pro kontrolu stability. Po spuštění testu tlačítkem start se spustí nekonečná smyčka opakující měření šumového činitele a do grafu jsou vynášeny odchylky mezi současnou a předchozí hodnotou. Díky této kontrole je možné vysledovat rušení a jiné problémy v měřící trase.

Obr. A.5: Okno pro kontrolu stability a graf odchylek měření

A.2.5

Měření šumových parametrů

Okno pro měření šumových parametrů se vyvolá z hlavní menu nabídky Measurement-> Noise parameters. Před tím musí být připojený a zinicializovaný tuner. Připojení se provede přes menu Settings -> Attach tuner a inicializace Settings -> Init tuner. V okně s nastavením pro měření šumových parametrů (viz obr. A.6) jsou stejné volby jako v případě DSB měření. Navíc je zde vstup pro nastavení počtu bodů v prvním a druhém cyklu měření, maximální absolutní hodnota odrazu který může být vybrán v prvním kroku a výběr aproimace pomocí Laneho nebo modifikované Laneho metody. Stejně jako v případě měření šumového čísla, je nejprve nutná kalibrace. Poté může být přistoupeno k samotnému měření. Soubor s uloženými daty z měření šumových parametrů obsahuje samotné změřené šumové parametry, ale také hodnoty z kalibrace a zejména hodnoty jednotlivých měření včetně hodnot odrazů, díky čemuž je možné sadu naměřených dat vyhodnotit i jinak než použitou Laneho nebo modifikovanou Laneho metodou.

61


# NOISE PARAMETERS #FREQ[Hz], F_min[-], R_n [Ohm], real(Y_OPT), imag(Y_OPT) 4000000000.000000, 1.078984, 9.974785, 0.019044, -0.007138 # CALIB #FREQ[Hz], F[-], HOT[-], COLD[-], ENR[dB], S21[db] #4000000000.000000, 6.232597, 0.127120, 0.092260, 3.719830, -87.447275 # MEAS #FREQ[Hz], F_DUT[-], F_SYS[-], HOT_SYS[-], COLD_SYS[-], ENR_DB[db], S12[db], Y_source_RE[-], Y_source_IM[-] #4000000000.000000, 1.218593, 1.425914, 1.412572, 0.532736, 3.719830, -69.385475, 0.040729, 0.000147 #4000000000.000000, 1.285852, 1.736265, 0.703564, 0.298584, 3.719830, -96.989700, 0.010350, 0.004329 #4000000000.000000, 1.170440, 1.540026, 0.816304, 0.322756, 3.719830, -79.030900, 0.010001, -0.002171 #4000000000.000000, 1.095365, 1.269795, 1.609604, 0.563864, 3.719830, -74.236586, 0.021214, -0.014822 #4000000000.000000, 1.093448, 1.330984, 1.201936, 0.434016, 3.719830, -87.447275, 0.019203, -0.002385 #4000000000.000000, 1.095911, 1.327262, 1.232820, 0.444372, 3.719830, -81.307683, 0.020695, -0.001928 #4000000000.000000, 1.079333, 1.307520, 1.243212, 0.443832, 3.719830, -77.328283, 0.017915, -0.005209 #4000000000.000000, 1.081376, 1.288360, 1.363396, 0.482128, 3.719830, -87.447275, 0.021646, -0.005933

Obr. A.6: Okno pro nastavení měření šumových parametrů

62

Příloha B

Dokumentace zdrojového kódu B.1

Souhrn zdrojových souborů

Název souboru Complex.c gen_control.c graph.c meas.c meas_params.c NFigure.c nfm_control.c Nparam.c rf_math.c sys_utils.c Tuner.c tuner_control.c

Popis a obsah souboru Funkce pro práci s datovým typem dcomplex Funkce pro řízení generátoru Funkce pro vykreslování grafů Funkce pro měření, kalibraci, události tlačítek z okna pro měření šumového čísla Funkce pro měření šumových parametrů, události tlačítek z okna pro měření šumových parametrů Funkce pro práci s datovým typem dnfigure Funkce pro práci s měřičem šumového čísla Funkce pro práci s datovým typem dnparam. Implementovaná Laneho metoda Matematické funkce, převody S-parametrů na impedance a naopak. Implementované výpočty pro Y metodu. Aproximace Funkce pro ukládání, načítání ze souboru. Funkce pro práci s datovým typem dtuner. Funkce pro hledání a výběr impedančních bodů Funkce pro ovládání tuneru Tab. B.1: Popis zdrojových souborů

Následující dokumentace popisuje pouze funkce zdrojových souborů pro ovládání přístrojů. Popis ostatních funkcí je v komentářích přímo ve zdrojových souborech. Tabulka B.1 popisuje, které funkce obsahují jednotlivé zdrojové soubory.

63

nfm_control.c

B.2

nfm_control.c

Zdrojový soubor nfm_control.c zprostředkovává komunikaci řídícího software s měřičem šumového čísla. int device int smooth

handler GPIB zařízení, který byl přiřazen přístroji při inicializaci počet měření, která se budou průměrovat

Tab. B.2: Vybrané proměnné zdrojového souboru nfm_control.c nfm_get_hot_cold int nfm_get_hot_cold(int device,double *hot,double *cold,double *freq,int smooth)

Funkce nejprve nastaví přístroj pro měření ve stavu hot , přečte změřenou hodnotu, totéž opakuje pro stav cold . Výstupem funkce jsou tři hodnoty, výkon ve stavu hot , cold a frekvence na níž byl měřič šumového čísla nastaven. nfm_get_hot_cold_array nfm_get_hot_cold_array

Funkce slouží ke stejnému účelu jako předchozí funkce nfm_get_hot_cold s tím rozdílem, že tato funkce získá pole hodnot hot a cold

B.2.1

Funkce specifické pro řízení přístroje HP8970A

nfm_init int nfm_init(int device, double start_freq, double stop_freq,double step_freq,int *steps)

Funkce nastavuje frekvence pro přístroj HP8970A. nfm_set_RF_attn int nfm_set_RF_attn(int device, int attn)

Funkce nastaví RF atenuátor HP8970A int attn 0 1 2 3 4 5 6

Auto +20 dB +10 dB 0 dB −10 dB −20 dB −30 dB

Tab. B.3: Hodnoty proměnné, která nastavuje RF atenuátor přístroje HP8970A

64

nfm_control.c nfm_set_IF_attn int nfm_set_IF_attn(int device, int attn)

Funkce nastavuje IF atenuátor HP8970A int attn 0 1 2 3 4 5 6 7

Auto 0 dB 5 dB 10 dB 15 dB 20 dB 30 dB 35 dB

Tab. B.4: Hodnoty proměnné, která nastavuje IF atenuátor přístroje HP8970A nfm_set_freq int nfm_set_freq(int device, double freq)

Funkce nastavuje frekvenci měření nfm_set_sqr int nfm_set_sqr(int device)

Funkce nastavuje příznak SQR, HP8970A odesílá naměřená data okamžitě po tom co skončí měření a hodnota je označená jako platná. nfm_set_Y_mode int nfm_set_Y_mode(int device)

Funkce nastavuje přístroj HP8970A do režimu měření Y poměru. nfm_set_HOT_mode int nfm_set_HOT_mode(int device)

Funkce nastavuje přístroj HP8970A do režimu měření výkonu v hot stavu. nfm_set_COLD_mode int nfm_set_COLD_mode(int device)

Funkce nastavuje přístroj HP8970A do režimu měření výkonu v cold stavu. nfm_run_SSWEEP int nfm_run_SSWEEP(int device)

Funkce spustí single sweep. Přístroj HP8970A projde nastaveným krokem nastavené frekvenční pásmo a po jednom průchodu zastaví měření 65

nfm_control.c nfm_run_ASWEEP int nfm_run_ASWEEP(int device)

Funkce spusti automatic sweep. Přístroj opakovaně měří v nastaveném pásmu. nfm_stop_SWEEP int nfm_stop_SWEEP(int device)

Funkce zastaví sweep nfm_set_DISPLAY_mode int nfm_set_DISPLAY_mode(int device)

Funkce nastavuje formát dat, které zobrazuje HP8970A nfm_set_SMOOTH int nfm_set_SMOOTH(int device, int factor)

Funkce nastaví počet měření, které se průměrují. nfm_step_up int nfm_step_up(int device)

Funkce vynutí zvýšení nastavené frekvence o zvolený krok. nfm_step_down int nfm_step_down(int device)

Funkce vynutí snížení nastavené frekvence o zvolený krok. nfm_get_data_buffer int nfm_get_data_buffer(int device, char read_buffer[], const int buffer_length)

B.2.2

Pomocné funkce

nfm_get_8970_data int nfm_get_8970_data (int device,double *data, double *freq)

nfm_data_parser int nfm_data_parser(char read_buffer[],const int buffer_length, double *first, double *second, double *third)

66

gen_control.c

B.3

gen_control.c

Zdrojový soubor gen_control.c poskytuje základní funkce pro nastavení generátoru. Protože v celém měřícím systému je generátor použit jen v režimu CW bez jakékoli modulace či jiných funkcí, poskytuje zdrojový soubor tyto funkce: • Inicializace, reset nastavení

• Nastavení kmitočtu generátoru

• Nastavení výkonové úrovně na výstupu • Vypnutí/zapnutí signálu na výstupu • Vypnutí/zapnutí modulace

Zdrojový soubor poskytuje řídící příkazy pro následující typy generátorů/syntezátorů

• HP 8350B

• Agilent E8257D int device double freq double power_dB

handler GPIB zařízení, který byl přiřazen přístroji při inicializaci kmitočet v Hz úroveň výstupního signálu v dB

Tab. B.5: Vybrané proměnné zdrojového souboru gen_control.c gen_set_freq int gen_set_freq(int device, double freq)

Funkce nastaví generátoru zvolenou frekvenci. gen_set_power int gen_set_power(int device, double power_dB)

Funkce nastaví generátoru zvolenou úroveň výstupního výkonu. gen_set_RF_on int gen_set_RF_on(int device)

Funkce zapne signál na výstup generátoru. gen_set_RF_off int gen_set_RF_off(int device)

Funkce vypne výstup generátoru. 67

gen_control.c gen_set_MOD_on int gen_set_MOD_on(int device)

Funkce zapne modulaci výstupního signálu. gen_set_MOD_off int gen_set_MOD_off(int device)

Funkce vypne modulaci výstupního signálu. gen_set_step int gen_set_step(int device, double step_freq)

Funkce nastaví frekvenční krok. gen_step_up int gen_step_up(int device)

Funkce zvýší frekvenci generátoru o zvolený krok. gen_step_down int gen_step_down(int device)

Funkce sníží frekvenci generátoru o zvolený krok. get_gen_local_freq double get_gen_local_freq(int device)

Funkce vrací hodnotu kmitočtu, který je nastaven na generátoru

68

tuner_control.c

B.4

tuner_control.c

Zdrojový soubor tuner_control.c poskytuje funkce pro práci s elektronicky řízeným tunerem. K produktům Maury je dodávána dynamická knihovna, která zprostředkovává komunikaci s kontrolérem. Soubor tuner_control.c poskytuje volací funkce pro externí knihovnu. • Inicializace kontroléru, nastavení tuneru • Načtení kalibračního souboru tuneru

• Řízení motorů podle absolutních pozic long *act_carr

ukazatel na hodnotu aktuální absolutní pozice motoru carrier

long *act_p1

ukazatel na hodnotu aktuální absolutní pozice motoru probe1

long *act_p2

ukazatel na hodnotu aktuální absolutní pozice motoru probe2

HINSTANCE hand_tunlib

handler načtené knihovny pro volání jejích funkcí

Tab. B.6: Vybrané proměnné zdrojového souboru tuner_control.c tun_init_dll short tun_init_dll(void)

Funkce načte knihovnu pro ovládání tuneru, přiřadí jí handler a přiřadí funkcím knihovny ukazatele. tun_free_dll short tun_free_dll(void)

Funkce uvolní prostředky spojené s načtenou knihovnou. tun_free_all short tun_free_all(void)

Funkce uvolní všechny alokované ukazatele a prostředky. tun_tuner_init short tun_tuner_init(void)

Funkce inicializuje tuner. Všechny motory tuneru se postupně nastaví do svých krajních poloh.

69

tuner_control.c tun_controller_init int tun_controller_init(void)

Inicializace kontroléru. tun_read_dat int tun_read_dat(char *filename, int tuner_num, char *tuner_name, dtuner *tuner)

Načtení kalibračního souboru tuneru a jeho převod načtených dat do datového typu dtuner. tun_move_motors short tun_move_motors(int tuner_number, long carr, long p1, long p2)

Změna poloh motorů. Funkce se používá pro nastavovaní hodnot odrazů. Hodnoty poloh motorů jsou hodnotám odrazů přiřazeny v kalibračním souboru. tuner_thread_init_tuners int tuner_thread_init_tuners(void *functionData)

Všechny operace s knihovnou pro ovládání tunerů musí být volány z vláken. Proto i prvotní inicializace musí být volána z vlákna. Tato funkce je volána jako vlákno pro inicializaci tuneru. tuner_thread_init_controller int tuner_thread_init_controller(void *functionData)

Vlákno pro inicializaci kontroléru. tuner_thread_read_data int tuner_thread_read_data(void *functionData)

Vlákno pro načtení hodnot z kalibračního souboru.

70

Měření šumového čísla a šumových parametrů

Recommend Documents