Реферат: Исследование комбинационных помех в анализаторе спектра миллиметрового диапазона длин волн

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Исследованиекомбинационных помех в анализаторе спектра миллиметрового диапазона длин волн.

Содержание

1.Введение

2.Теоретическийанализ комбинационных помех ,

обусловленныхпобочными колебаниями гетеродина

в КВЧсмесителе анализатора спектра.

2.1Метод аппроксимации вольт амперной

характеристикидиода экспоненциальной функцией.

2.2Метод аппроксимации вольт амперной характеристики диода степенным рядом.

3.Расчет и экспериментальное измерение относи

тельныхуровней комбинационных помех.

3.1 Исследование уровней побочных колебаний в сигнале гетеродина.

3.2 Расчет и исследование уровней комбина

ционныхпомех в смесителях.

3.3 Измерение относительных уровней комбинационных помехв анализаторе спектра.

4.Заключение.

5.Список литературы.

6.Техника безопасности.

1. Введение

В радиотехнике, электронике, технике связи и других отрасляхпромышленности анализ формы электрических сигналов позволяет получить информациюо качестве радиоустройств, линий связи, технологических процессов и т.д. Сложнаяпериодическая функция времени полностью описываетсяамплитудами и фазами ее спектральных составляющих. В большинстве случаев достаточноиметь информацию об амплитуде и частоте составляющих спектра сигнала, то есть обамплитудном спектре. Загруженность освоенных ВЧ и СВЧ диапазонов, потребность использования радиоэлектронных средств (РЭС) для решения широкого круга новых задач вызвалинеобходимость дальнейшего расширения частотного диапазона в область мм длин волн.При этом важное значение имеют вопросы исследования неосновных колебаний в ВЧ трактахи радио излучений различных РЭС, а также контроль за рациональным использованием

РЭС, исключающим взаимные радиопомехи.

С целью контроля неосновных радио излучений и колебанийпобочных излучений радиопередающих устройств, загружающие общий частотный диапазон,а также возможности установления источника помех и их характера используются панорамныеприёмные устройства измерительные панорамные приёмники и анализаторы спектра последовательногодействия ( АС ПД).

При конструировании анализаторов спектра с помощью различныхмер предусматривается максимально возможное ослабление комбинационных помех в гарантируемойполосе обзора, однако устранить их полностью невозможно. Свободный от комбинационныхсоставляющих интервал амплитудной характеристики анализатора по входу, ограниченныйснизу уровнем комбинационных сигналов, а сверху максимально допустимым уровнемизмеряемого сигнала, поступающего на смеситель (при котором комбинационные откликинезначительно превышают шумы анализатора), называют динамическим диапазоном по комбинационнымпомехам.

Динамический диапазон по комбинационным помехам в анализаторахспектра миллиметрового диапазона волн в основном определяются КВЧ преобразователямивходных сигналов. Исторически на начальных этапах освоения мм диапазона длин волнпредпочтение отдавалось гармониковым преобразователям частоты и анализаторам спектрас их использованием, так как это направление обеспечивает наиболее быстрое решениепервоочередных измерительных задач с наименьшими затратами.

Достоинством гармониковых АС ПД является относительнаяпростота, однако они имеют плохую чувствительность и малый динамический диапазон,свободный от комбинационных помех. Эти проблемы снимаются при использовании АС ПДс преобразованием спектра КВЧ сигналов на 1ой гармонике гетеродина. При этом возможныследующие варианты построения преобразователей:

с гетеродином на фиксированную частоту КВЧ диапазона,

с перестраиваемым гетеродином КВЧ диапазона ,

формируемым путем умножения сигнала гетеродина СВЧ базовогоанализатора.

Фиксированные гетеродины применяются в случаях,

когда требуется выполнить спектральный анализ сигналовв относительно небольшом участке диапазона частот (не более 1012 ГГц).

В случае необходимости исследований сигналов в полномчастотном диапазоне волновода используются перестраиваемые гетеродины, перекрывающиепо частоте этот диапазон.

Формирование сигнала такого КВЧ гетеродина осуществляетсяумножением частоты задающего СВЧ генератора. В спектре сигнала гетеродина на выходе умножителей кроме основного, используемого в преобразователях колебания, содержатсяпобочные составляющие, кратные частоте задающего генератора. Исследованию комбинационныхпомех в КВЧ преобразователях, возникающих при немонохроматическом сигнале гетеродинаи посвящена дипломная работа.

Целью работы по исследованию комбинационных помехв преобразователях частоты, работающих на первой гармонике гетеродина умножителяявляется:

расчет относительных уровней комбинационных помех,

экспериментальная проверка полученных теоретических результатов.

2. Теоретический анализ комбинационных помех,

обусловленных побочными колебаниями гетеродина

КВЧ в смесителе анализаторов спектра.

Вопросы расчета относительного ослабления амплитуд

комбинационных составляющих (продуктов преобразования)

нашли отражение в ряде работ [ 1 ], [ 4 ], [ 7 ].

Для расчета комбинационных искажений необходимо математическоезадание вольт амперной характеристики диода, которая может быть представлена с помощьюразличных методов аппроксимации:

рядами Вольтерра;

экспоненциальном представлением;

в виде степенного ряда.

Первый метод для нашей задачи представляется неприемлемымввиду громоздкости вычислений.

В нашей работе расчет комбинационных искажений проводилсядля двух видов аппроксимации вольт амперной характеристики смесительных диодов:

представлением вольт амперной характеристики диода степеннымрядом;

экспоненциальным представлением вольт амперной характеристики.

2.1 Метод аппроксимации В.А.Х. диода экспоненциальной функцией.

Для расчета комбинационных помех, возникающих на выходеполупроводникового преобразователя частоты, обусловленных наличием побочного колебанияв сигнале гетеродина, воспользуемся методикой, предложенной в работе [ 8 ].

В литературе [1 4] характеристику полупроводниковогодиода принято отображать экспонентой вида:
/> (2.1.1)

где /> ток черездиод и приложенное к нему напряжение;

/> коэффициентыаппроксимации.

Пусть на вход преобразователя поступает напряжение:

/> (2.1.2)

где /> амплитудыи частоты составляющих входного

напряжения соответственно.

Подставляя в выражение (2.1.1) значение напряжения(2.1.2), получим:

/> (2.1.3)

Величину /> можно разложитьв ряд по модифицированным функциям Бесселя [ 5 ]:

/> (2.1.4)

С учетом разложения (2.1.4) ток /> равен:

/> (2.1.5)

После перемножения из формулы (2.1.5) можно извлечьвыражения всех спектральных составляющих тока на выходе полупроводникового преобразователячастоты. Комбинационные составляющие, образующиеся в результате взаимодействия всехкомпонент спектра входного сигнала, имеют амплитуды:

/> (2.1.6)

и частоты />

Воспользуемся приведенными выше формулами для расчета относительногоослабления комбинационных помех.

Считаем, что на вход преобразователя поступают напряжения:

гетеродина />

измеряемого сигнала />

где /> амплитудаи частота основного колебания гетеродина;

/> амплитудаи частота побочного колебания в сигнале гетеродина;

/> амплитудаи частота входного сигнала.

В результате основного преобразования (K1=1, K3=1) на промежуточнойчастоте /> образуется составляющая токас амплитудой:

/> (2.1.7)

В процессе взаимодействия побочного колебания гетеродинаи входного сигнала (K2=1, K3=1), на промежуточной частоте /> образуется составляющая токас амплитудой:

/>(2.1.8)

Рассчитаем относительное ослабление комбинационной помехи:

/> (2.1.9)

Для упрощения дальнейших вычислений будем

предполагать, что />.В таком предположении можно считать[ 8 ]:

/> (2.1.10)

/> (2.1.11)

/> (2.1.12)

Таким образом окончательная формула для расчета относительногоослабления комбинационной помехи имеет следующий вид:

/> (2.1.13)

2.2 Метод аппроксимации ВАХ диода степенным рядом.

Для исследования продуктов комбинационных преобразованийв смесителе в случае малой амплитуды гетеродина воспользуемся аппроксимацией степеннымрядом [1].

Рассчитаем уровень комбинационных помех для этого случая.Ток, протекающий через диод, запишем в виде:

/> (2.2.1)

где /> коэффициенты ряда;

/> входное напряжение.

Входное напряжение, как и в пункте 2.1.2, представляетсобой сумму напряжений:

/> (2.2.2)

где /> напряжениеи частота основного колебания гетеродина;

/> напряжениеи частота побочного колебания гетеродина;

/> напряжениеи частота входного сигнала.

Для исследования комбинационных помех в смесителе не вышетретьего порядка воспользуемся аппроксимацией вольт амперной характеристики диодаполиномом пятой степени [1]. Найдем выражение для тока диода. При расчете учтемтолько члены, дающие вклад в выходной ток преобразователя на промежуточной частоте.В случае когда напряжение смещения постоянного тока равно нулю, вклад в выходнойсигнал на промежуточной частоте дадут только члены полинома с четными степенями.Тогда после подстановки (2.2.2) в (2.2.1) получим:

/>(2.2.3)

Найдем амплитуды откликов в выходном сигнале смесителяпри преобразованиях на основном и побочном колебаниях гетеродина: />(2.2.4)/>(2.2.5)

Рассчитаем относительный уровень комбинационных

помех:

/> (2.2.6)

В предположении U1 >> U2, U1 >> U3 получим:

/> (2.2.7)

или:

/> (2.2.8)

Из разложения экспоненциальной функции в ряд Маклоренаследует, что коэффициенты К2, К4 при членах разложения с четными степенями могутпринимать только положительные значения. Тогда видно, что отношение

W2/W1 лежит в пределах:

/> (2.2.9)

или:

/> (2.2.10)

На основании полученных результатов с учетом выражений(2.1.13) и (2.2.10) могут быть сделаны следующие выводы:

при «большой» мощности основного колебания гетеродинакомбинационная помеха на выходе преобразователя ослаблена больше, чем побочное колебаниев гетеродине;

при «малой» мощности основного колебания гетеродинадополнительного ослабления комбинационной помехи на выходе преобразователя не происходит.

3. Расчет и экспериментальное измерение относительных уровнейкомбинационных помех.

Основной целью эксперимента было определение динамическогодиапазона в АС мм диапазона по комбинационным искажениям с преобразованием на 1ойгармонике гетеродина с умножением частоты.

3.1 Исследование уровней побочных колебаний

в сигнале гетеродина.

В этом эксперименте исследовалась работа волноводных

умножителей частоты на 2 и на 3 в диапазоне

25,9537.5 ГГц.

1 задающий генератор Г480 (Г481);

2 умножитель на 3 коаксиальный;

3 измеритель мощности P1;

4 измеритель мощности P9 ( P6 );

5 умножитель на 3 ( на 2 ) волноводный;

6 направленный ответвитель 10 дБ;

7 усилитель мощности;

8 переключатель 1:2 волноводный;

9 аттенюатор Д336;

10 аттенюатор 10 дБ;

11 измеритель мощности P3;

12 перестраиваемый фильтр;

13 смеситель;

14 фильтр низкой частоты;

15 генератор Г456;

16 анализатор спектра СК487.

С генератора 1 напряжение сигнала поступает на умножитель частоты 2, где происходит умножение частоты задающего генератора. Уровень мощности контролируется измерителем мощности3. С умножителясигнал поступает на усилитель мощности 7,усиливается и черезнаправленный ответвитель 6 приходит на второйумножитель 5, гдепроисходит окончательное формирование сигналаКВЧ гетеродина.Далее через аттенюатор 9, переключатель 8этот сигнал черезпреселектор 12 подается на сигнальный входсмесителя 13 для анализа.

На гетеродинный вход смесителя через ФНЧ 14 приходит сигналс генератора 15. Преобразованный сигнал исследуемого КВЧ гетеродина поступает на анализатор спектра 16, где происходит его дальнейший анализ.

Рассчитаем частоту задающего генератора Г480 для приема начальной частоты Fc рассматриваемого диапазона.

Fзг=(FcFпч)/n, (4.1.1)

где Fпч промежуточная частота, Fпч=1 ГГц,

Fc частота сигнала,

n общий коэффициент умножения.

Таким образом Fзг= (261)/6 = 4,16 ГГц при использова нии умножителя на 2.Наибольший уровень на выходе умножителяна 2имеет побочное колебание, получающееся умножениемна 3, то есть

9ая гармоника задающего генератора.

Таким образом частота побочного колебания Fп = 4,16*9=36,44 ГГц.

Уровень основной гармоники Р6=12 мВт, а показание СК4874 дБмпри частоте настройки Г456 27 ГГц.ПерестройкойГ456 на частоту 37,44 ГГц получаем отклик на СК487, равный26 дБм,что соответствует уровню побочного колебанияР9=0,08 мВт.

При использовании волноводного умножителя на 3 частотазадающегогенератора устанавливается Fзг= (261)/9 =2,78 ГГц. Наибольшийуровень имеет побочное колебание, получающеесяна 12ой гармоникезадающего генератора. Частота этого колебанияFп=Fзг*12 и будетсоответственно Fп=34,33 ГГц. Уровень основной гармоникиР9=2,4мВт, а уровень побочного колебания Р12=0,8мВт определеныпо описанной выше методике.

Уровни мощности основного колебания гетеродина Р6 иР9 определяются максимальнодопустимой мощностью на входе волновод ного умножителя равной 100 мВт.

4.2 Расчет и исследование уровней комбинационных помех

смесителя.

________ __________ _________ _________

| | | | | | | |

| 1 |>| 2 |>| 3 |>| 4 |>

|________| |__________| |_________| |_________| |

| |

________ _______ ________ ________ _________ |

| | | | | | | | | | |

| 5 |>| 6 |>| 7 |>| 8 |>| 9 |<

|________| |_______| |________| |________| |_________|

| |

___|____ ____|____

| | | |

| 10 | | 11 |

|________| |_________|

Рис.2Блок схема установки для исследований комбинационных

помех смесителя.

1 генераторГ480 (Г481)

2 умножительна 3

3 усилительмощности

4 умножительна 2 ( на 3 )

5 генераторГ456

6 ФНЧ

7 переключатель

8 аттенюатор

9 смеситель

10измеритель мощности

11анализатор спектра СК487

С задающего генератора 1 поступает сигнал на умножитель

частоты2затем на усилитель мощности 3, усиливается и поступает на умножитель частоты 4, где сигнал переносится на нужную нам частоту, а именно на частоту 6ой или 9ой гармоники( взависимости от того, какой у нас умножитель,на 2 или на 3 ),

далеесигнал поступает на гетеродинный вход смесителя 9.Сигнал

с генератора5 через ФНЧ 6, переключатель 7, аттенюатор 8 пос

тупаетна сигнальный вход смесителя. Продукты преобразования с

выходасмесителя измеряются анализатором спектра 11.

Измерения проводились по следующей методике.

ЧастотаГ480 устанавливалась 4,16 ГГц при работе с умножением

на6 основного преобразования и 2,78 ГГц при работе с умножением

на9. Уровень сигнала Г456 поддерживался постонным и равным

30мкВт. Значения частоты Г456 устанавливались такими же как

указанов разделе 4.1. Фиксировалось ослабление аттенюатора

Д336при превышении отклика анализатора СК487 от входных

сигналовнад собственными шумами на 3 дБ.

Результаты исследований сведены в таблицу, в ней же

приведеныотносительные уровни побочных колебаний гетеродина,

измеренныхв пункте 4.1:

таблица 1

______________________________________________________________

|Умножи|Частота, ГГц|Ослабление|Уровень||Уровень побочного |

|тель | |Д336, дБ |помехи, дБ||колебания гетеродина|

|_______|___________|__________|_________||____________________|

|x2 | 27 | 76 | || |

|x2 | 37,44 | 49 | 27 || 22 |

|x3 | 27 | 66 | || |

|x3 | 34,33 | 63 | 3 || 5 |

|_______|___________|__________|_________||____________________|

Таким образом из исследований видно, что при использовании

умножителяна 2 ослабление комбинационной помехи превышает

относительныйуровень побочного колебания гетеродина.

Дляоценки ослабления можно воспользоваться выражением (2.1.13).

Прииспользовании умножителя на 3 относительный уровень

комбинационнойпомехи не ниже уровня побочного колебания гетеро дина.Для оценки уровня помехи в этом случае можновоспользоватьсявыражением (2.2.8).

Из полученных результатов следует, что коэффициент ум

ножениязадающего генератора целесообразно выбирать таким образом, чтобы использовать волноводный умножитель на2.

4.3 Измерение относительных уровней комбинационных помех

в анализаторе спектра.

_____ _____ _____ _____ | ____ ____ ____ ____ |

| | | | | | | | | | | | | | | | | | ___

|1 || 2 || 3 || 4 ||| 7 || 8 || 9 || 10 ||| |

|_____||_____| |_____| |_____| | |____| |____| |____| |____| | | |

| | | | | |

| | | | |

__|__ _____ | __|_ ____ ____ | |14 |

| | | | | | | | | | | | | |

|5 | | 6 ||| 11 || 12 || 13 ||| |

|_____| |_____| | |____| |____| |____| | |___|

| Преобразователь частоты |

Рис.3Структурная схема для проверки комбинационных помех в АС.

1 генераторГ4156

2 направленныйответвитель

3 фильтр полосовой

4 аттенюаторД336

5 частотомерЧ366

6 измерительмощности М353

7 вентильволноводный ФВВН116

8 смесительволноводный 7,2*3,4 мм

9 усилительмалошумящий ЕЭ2.031.242

10преобразователь частоты 317/17 МГц

11умножитель частоты на 2 ЯНТИ 434.841.067

12усилитель средней мощности 10,717,7 ГГц

13умножитель частоты (26,6)/(226) ГГц

14анализатор спектра С485

Измерения проводились с использованием методики, изложенной в разделе 4.2. В качестве задающего генератора применялсягетеродинсинтезатор прибора С485.

Ослабление комбинационной помехи на 12ой гармонике задающего генератора составило порядка 30 дБ.

4.Заключение

Полученные результаты теоретического анализа относительных уровней комбинационныхпомех первого порядка в анализаторах спектра КВЧ с преобразованием на первой гармоникев случае немонохроматического сигнала используемого гетеродина могут быть примененыдля расчета схем анализаторов с умножителями частоты в гетеродинном

тракте.

Рассмотрены два случая формирования гетеродинного сигнала:

с использованием волноводного умножителя на 3,

с использованием волноводного умножителя на 2.

Для первого случая мощность основного колебания гетеродина недостаточна для обеспеченияоптимальных параметров смесителя. Наиболее близкие к эксперименту результаты даетметод аппроксимации ВАХ диода степенным рядом. Оценка по формуле (2.2.10)совпадаетс результатами таблицы 1.

Для второго случая лучшее совпадение результатов расчета относительных уровней комбинационныхпомех дает метод аппроксимации ВАХ диода экспонентой. Оценка по формуле(2.1.13) уровня комбинационной помехи дает результат на 2 дБ ниже по сравнению сотносительным

уровнемпобочного колебания для описанного в работе эксперимента без учета рассогласованияна гетеродинном

входесмесителя. Измеренный уровень комбинационной помехи по данным таблицы 1 ниже относительногоуровня побочного колебания на 5 дБ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований относительных уровнейпомех в АС мм диапазона, обусловленных наличием побочных колебаний в сигнале гетеродина,показывают, что динамический диапазон АС может быть обеспечен не менее, чем величинаослабления побочного колебания только в случае достаточно большого уровня мощности основного колебания гетеродина. Для исследованногосмесителя на волновод сечением 7,2x3,4 мм этот уровень не должен быть ниже 10 мВт.

5. Список литературы

1.H.W.Pollack, M.E.Engelson. The Microwave Jornal. 1962, Dec.

2.А.М.Щерба «Труды учебных институтов связи», серия «Радиоиз

мерительнаятехника», 1969г., вып.2.

3.Л.С.Гуткин «Преобразование СВЧ и детектирование», Госэнерго

издат,1953г.

4.Л.Р.Деречинский «Вопросы радиоэлектроники», серия «Радиоиз

мерительнаятехника», 1969г., вып.2.

5.Е.Янке, Ф.Леш, Ф.Эмде «Специальные функции»,

Изд.«Наука»,1968г.

6. Научнотехнический отчет о НИР «АнализаторММ»(предварительный),

ННИПИ" Кварц ", 1997г.