Mikrovlnné měřicí systémy
Měření šumového čísla A.
Základní definice
důležité při zpracování slabých analogových i digitálně modulovaných signálů
obvykle vstupních radiové signály, výkon podstatně nižší než –100 dBm
potřebné hodnoty odstupů výkon signálu - výkon šumu na vstupu demodulátoru
dle použité modulace od několika dB (digitální modulace, záporné hodnoty v případě modulace typu „spread-spectrum“) do desítek dB (43dB pro analogový TV signál je)
Hlavními zdroje šumu v radiových systémech: termální šum vyzařovaný okolím přijímaný anténou termální šum daný ztrátami ve struktuře antény termální šum daný ztrátami v propojovacích vedeních mezi anténou a přijímačem šumový příspěvek radiového přijímače Definice šumového čísla: S1 N F= 1 S2 N2
C.1
S1
výkon signálu na vstupu dvoubranu
N1
šumový výkon signálu na vstupu dvoubranu odpovídající šumovému výkonu BK N1 = kT0 B !!!
C.2
S2
výkon signálu na výstupu dvoubranu
N2
celkový šumový výkon signálu na výstupu dvoubranu
k
Boltzmanova konstanta k = 1,38 .10−23 JK −1
T0
fyzická teplota bezodrazové koncovky, definiční teplota je T0 = 290 K
B
šumová šířka pásma v Hz
1
2 zásadní omezení: •
N1 odpovídá záření dokonale černého tělesa = kvalitní BK na definiční teplotě T0 = 290 K .
•
Vyžaduje přítomnost signálu, výstupní šum generátorů nemusí odpovídat kT0 B .
Výkonová definice šumového čísla: F=
N 2 GN1 + N a N Na = = 1+ a = 1+ GN1 GN1 GN1 kT0 BG
C.3
GN1
je zesílený šum BK zapojené na vstupu
G
je dosažitelný zisk měřeného obvodu (dále označovaný i jako Ga )
Na
je šumový výkon přidaný předmětným dvoubranem
Obr. C.1 Výkonová definice šumového čísla
Šumové číslo vyjadřuje v dB: FdB = 10. log F
C.4
Ekvivalentní šumová teplota:
Obr. C.2 Definice ekvivalentní šumové teploty
N a = kTe BG
C.5
N a = ( F − 1)kT0 BG
C.6
Te = ( F − 1)T0
C.7
2
Friisův vztah:
Obr. C.3 Kaskáda šumových 2-branů
N a1 = (F1 − 1)kT0 B N a 2 = (F2 − 1)kT0 B N a 3 = (F3 − 1)kT0 B N 2 = kT0 BG1G2 G3 + N a1G1G2 G3 + N a 2 G2 G3 + N a 3 G3 =
= kT0 B[G1G2 G3 + (F1 − 1) G1G2 G3 + (F2 − 1) G2 G3 + (F3 − 1) G3 ] F=
F − 1 F3 − 1 N2 = F1 + 2 + G1 G1G2 kT0 BG1G2 G3
C.8
Šumové číslo pasívních prvků Z pohledu N 2 se ztrátový impedančně přizpůsobený 2-bran chová jako BK: F=
kT B N2 = 0 =L GN 1 kT0 B L
C.9
Fyzikální pohled: L
kT0B
kT0B/L
ztrátový obvod
kT0B(L-1)/L
N2
kT0B(L-1)/L
Obr. C.4 Šumové vyzařování impedančně přizpůsobeného ztrátového obvodu
N aZO = kT0 B −
kT0 B L −1 = kT0 B L L
C.10
3
N F = 1 + aZO = 1 + kT0 BG
L −1 L =L kT0 B L
kT0 B
C.11
Důsledky Friisova vztahu: 1. Měřicí přijímač s vlastním šumovým číslem FNFM zvyšuje výsledné měřené šumové číslo – nutné provést korekci. 2. Jakýkoliv útlum L1 (propojovací vedení, přechody, atenuátory, apod.) před DUT se v dB přičítá k celkovému šumovému číslu Fc , nutné provést korekci: Fc = L1 + (FDUT − 1)L1 = L1 + L1FDUT − L1 = L1FDUT
C.12
FcdB = L1dB + FDUTdB
C.13
3. Jakýkoliv útlum L2 (propojovací vedení, přechody, atenuátory apod.) za DUT zvyšují šumové číslo přijímače FDUT , tento vliv je nutné zahrnout do kalibrace.
B.
Principy měření šumového čísla
Nutné znát i zisk G měřeného 2-branu: F =
N2 kT0 BG
C.14
Fmc = L1 + (FDUT − 1)L1 +
(L2 − 1)L1 + (FNFM − 1)L1L2 GDUT
C.15
GDUT
Pro určení 2 neznámých je nutné provést stejný počet lineárně nezávislých měření. Pro standardní vývojové nebo výrobní měření - přepínané diodové šumové zdroje. RF short
atenuátor k HP8970A +28V 0V
noise OUT
HOT
COLD
Obr. C.5 Vnitřní zapojení diodového šumového zdroje HP346B
4
Pro stavy HOT/COLD jsou na výstupu DUT následující hodnoty šumového výkonu N 2 : N 2COLD = kT0 BG + ( F − 1)kT0 BG
C.16
N 2 HOT = kT0 BG + (THOT − T0 )kBG + ( F − 1)kT0 BG
C.17
Měřicí přístroj vyhodnocuje poměr:
Y=
N 2 HOT FT + (THOT − T0 ) = 0 N 2COLD FT0
C.18
Při známé hodnotě Y lze F určit ze vztahu: F=
THOT − T0 1 T0 Y −1
C.19
⎛T − T0 ⎞ ⎟⎟ − 10 log(Y − 1) = ENR − 10 log(Y − 1) FdB = 10 log⎜⎜ HOT T0 ⎝ ⎠
C.20
Hodnota ENR (excess noise ratio) je parametr šumového zdroje, typické hodnoty jsou od cca 6 do 20 dB. Parametry šumového zdroje HP346B: frekvenční šířka pásma ENR typ. neurčitost ENR teplotní změna ENR PSV 10-30 MHz 30-5000 MHz 5-18 GHz napájení
10 MHz až 18 GHz 15 dB, přesné hodnoty v kalibrační tabulce typ. 0,1 dB <0,01dB/oC <1,3 <1,15 <1,25 28V/30 mA pro stav HOT
5
Měřič šumového čísla HP8970A
ATT
ATT
2050 MHz
RF
DP1
PP2
PP1
f0=10 MHz B=4 MHz
LO
1500 MHz
2060 – 3550 MHz
VCO
OSC
řídící počítač
2040 MHz
ATT Pšum
OUT
GEN
HPIB
budič šumivky
A/D LED disp.
DET
klávesnice
Obr. C.6 Zapojení měřiče šumového čísla HP8970A
0,01
zrcadlový signál
signál LO f MF1
1,5
přijímané pásmo
MF1
přijímaný signál
Přeladitelný přijímač pracující v pásmu 10 MHz až 1,5 GHz s kanálem širokým 4 MHz, ve které měří vstupní šumový výkon.
f MF1
2,05
3,55
přeladění LO
4,11
5,6
zrcadlové pásmo
Obr. C.7 Frekvenční plán přístroje HP8970A
Hlavní parametry přístroje HP8970A : vstupní frekvenční rozsah frekvenční krok vlastní šumové číslo typ. vstupní PSV max. vstupní výkon max. vnější zisk rozsah měření F rozlišitelnost F neurčitost přístroje
10 – 1500 MHz 1 MHz 7 dB <1,7 -10 dBm 65 dB 0 – 30 dB ±0,01 dB pro Ga ≥ −10 dB ±0,2 dB 6
f [GHz]
měřicí šumová šířka pásma citlivost měřené šumové parametry řízení externích oscilátorů
4 MHz -100 dBm F, FdB, Te, Y, YdB do 60 GHz
Základní kalibrace a korekce V impedančně přizpůsobeném měřicím systému: Noise Figure Meter
RF FNFM FDUT
NS
GDUT
DUT
Noise Source
L1
L2 Lk
L=1
Obr. C.8 Zapojení při měření šumového čísla
Komponenty měřicí trasy mají vliv na celkové měřené šumové číslo Fmc : Fmc = L1 + (FDUT − 1)L1 +
(L2 − 1)L1 + (FNFM − 1)L1L2 GDUT
GDUT
C.21
Kalibrace Měření korekčních parametrů, základní kalibrace - DUT nahrazen propojkou s útlumem L = 1 . Při této kalibraci: •
NFM změří své vlastní šumové číslo FNFM , a to pro několik různých nastavení vnitřních atenuátorů
•
do celkového šumového čísla NFM zahrne i součet útlumů za DUT L2
•
útlum L1 nesmí být při kalibraci přítomen (jinak je zahrnut do L2 ), musí být změřen předem a pro korekci zadán externě
7
Zapojení pro měření v širším frekvenčním pásmu
externí generátor
Noise Figure Meter
RF
F DUT GDUT
NS
FIL
DUT frekvenční konverze
Noise Source L=1
Obr. C.9 Zapojení NFM pro měření na frekvencích do 60 GHz
Externí frekvenční konverze - NFM je použit jako mezifrekvenční MF (IF) jednotka. NFM lze z tohoto pohledu nastavit pro práci v několika režimech: a)
Režim 1.0 Měření v základním pásmu 10-1500 MHz, zapojení pro měření i kalibraci je na Obr. C.8.
b)
Režim 1.1 NFM pracuje jako pevná MF, externí LO je proměnný.
fIFn fIFn F
fIFn
fLO přeladění
Obr. C.10 DSB měření F v režimu 1.1
8
f [MHz]
c)
Režim 1.2 Používá pevnou frekvenci LO a proměnnou frekvenci MF, viz. Obr. C.11.
fIFn F
+1500 MHz
+10 MHz odstranit filtrem HP
fLO
f [MHz] přeladění
Obr. C.11 SSB měření F v režimu 1.2
d)
Režim 1.3 Frekvenční konverze je uvnitř DUT - směšovače. externí generátor
Noise Figure Meter
RF
FIL
F DUT GDUT
NS
měřený směšovač
Noise Source L=1
kalibrace
Obr. C.12 Zapojení pro měření F směšovačů
e)
Režim 1.4 Frekvenční konverze v DUT, pevný f LO , proměnný f IF , měření je SSB, nutné použití filtru FIL, přelaďování odpovídá Obr. C.11.
Odrazy v měřicí trase Výše popsané postupy fungují velmi dobře, pokud jsou všechny komponenty v měřicí trase včetně DUT velmi dobře impedančně přizpůsobené. To však v praxi nebývá splněno: 9
Relativně malé problémy na straně NS, útlum odrazů typ. >20 dB.
Problémem může být rozdíl impedančního přizpůsobení ve stavech HOT a COLD.
F měřeného obvodu závisí na odrazech NS, FDUT = f (Γns ) .
Při měření se vstup DUT musí „dívat“ do přesné definiční impedance Z 0 .
Je možné snížit dodatečným atenuátorem L1 , který současně sníží hodnotu ENR.
Relativně malým problémem je Γin , při výpočtu Y se odraz uplatní stejně v čitateli i jmenovateli (pokud ΓnsHOT = ΓnsCOLD ).
Větší problémy jsou s odrazy DUT a přijímače v NFM.
Noise Figure Meter
RF FDUT=f(Γns) GDUT
Γin
NS
FNFM=f(Γout) ΓL
DUT
Noise Source
Γout
Γns
Obr. C.13 Odrazy v měřicí trase při měření F
Šumové číslo jakéhokoliv prvku je závislé na vstupní admitanci (impedanci, koeficientu odrazu) zdroje signálu YG :
F = Fmin +
[
]
Rn (GG − GGopt )2 + (BG − BGopt )2 = Fmin + Rn YG − YGopt GG GG
2
C.22
Odrazy na výstupu DUT: •
Šumové číslo přijímače je funkcí koeficientu odrazu na svém vstupu FNFM = f (Γout ) .
•
Při kalibraci je měřena hodnota FNFM (Γns ) , při vlastní měření se uplatňuje hodnota FNFM (ΓDUT ) .
•
Ve vztazích pro definici šumového čísla se používá dosažitelný zisk Ga . Tento zisk je * definován tak, že výstup 2-branu pracuje do přizpůsobené zátěže ΓL = Γout . standardní kalibraci měří NFM ale vložný útlum.
10
Při
Pokročilá kalibrace a korekce - jsou měřeny šumové parametry NFM FNFM min , Rn a Γoutopt , z nich lze vypočítat FNFM pro libovolnou hodnotu Γout : 2
Γout − Γoutopt R FNFM (Γout ) = FNFM min + 4 n . 2 Z0 1 + Γ outopt 1 − Γout
(
2
)
C.24
Přesnou hodnotu GaDUT lze určit z předem změřených s-parametrů DUT, počítá se z přenosového zisku Gt za podmínky ΓL = Γ2* : 2
GaDUT =
(1 − Γns ) s21 2
2
C.25
2
1 − s11Γns (1 − Γ2 )
Γ2 = s22 +
s12 s21Γns 1 − s11Γns
C.26
11
