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

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Нижегородский ордена Трудового Красного знамени Государственный университет имени Н.И.Лобачевского

РАДИОФИЗИЧЕСКИЙФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА АКУСТИКИ

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Исследованиекомбинационных помех в анализаторе спектра миллиметрового диапазона длин волн.

Допущен к защите

зав. кафедрой акустики профессор Гурбатов С.Н.

Научный руководитель

начальник сектора ННИПИ«Кварц» Хейман М.Д.

Рецензент

начальник отдела ННИПИ«Кварц» Пасманик Л.А.

Научный консультант

ведущий инженер Косарев В.В.

Консультант по технике безопасности

ассистент кафедрыакустики Курин В.В.

Дипломник Тараканов А.Е.

г. НижнийНовгород, 1998 г.

Содержание

1.Введение 3

2.Теоретическийанализ комбинационных помех ,

обусловленныхпобочными колебаниями гетеродина

в КВЧ смесителе анализатора спектра . 6

2.1Метод аппроксимации вольт — амперной

характеристикидиода экспоненциальной функцией. 7

2.2Метод аппроксимации вольт — амперной характеристикидиода степенным рядом. 10

3.Расчет и экспериментальное измерение относи-

тельныхуровней комбинационных помех. 13

3.1 Исследование уровней побочных колебаний всигнале гетеродина. 13

3.2 Расчет и исследование уровней комбина-

ционныхпомех в смесителях. 16

3.3 Измерение относительных уровней комбина-ционныхпомех в анализаторе спектра. 19

4.Заключение. 21

5.Список литературы. 22

6.Техника безопасности. 23

1. Введение

В радиотехнике, электронике, технике связи и других отрасляхпромышленности анализ формы электрических сигналов позволяет получитьинформацию о качестве радио-устройств, линий связи, технологических процессови т.д. Сложная периодическая функция времени полностью описы-ваетсяамплитудами и фазами ее спектральных составляющих. В большинстве случаевдостаточно иметь информацию об амплитуде и частоте составляющих спектрасигнала, то есть об амплитудном спектре. Загруженность освоенных ВЧ и СВЧдиапазонов, потребность использования радиоэлектронных средств (РЭС) для решения широкого круга новых задач вызвалинеобходимость дальнейшего расширения частотного диапазона в область мм длинволн. При этом важное значение имеют вопросы исследования неосновных колебаний в ВЧ трактах и радио излучений различных РЭС, а также контрольза рациональным использованием

РЭС , исключающим взаимные радиопомехи.

С целью контроля неосновных радио излучений иколебаний побочных излучений радиопередающих устройств, загружающие общийчастотный диапазон, а также возможности установления источника помех и иххарактера используются панорамные приёмные устройства — измерительныепанорамные приёмники и анализаторы спектра последовательного действия ( АСПД).

При конструировании анализаторов спектра с помощьюраз-личных мер предусматривается максимально возможное ослаблениекомбинационных помех в гарантируемой полосе обзора, однако устранить ихполностью невозможно. Свобод-ный от комбинационных составляющих интерваламплитудной характеристики анализатора по входу, ограниченный снизу уровнемкомбинационных сигналов, а сверху максимально допустимым уровнем измеряемогосигнала, поступающего на смеситель (при котором комбинационные откликинезначи-тельно превышают шумы анализатора), называют динамическим диапазоном по комбинационным помехам .

Динамический диапазон по комбинационным помехам ванализаторах спектра миллиметрового диапазона волн в основном определяются КВЧ преобразователями входных сигналов. Исторически на начальных этапах освоения мм диапазона длин волн предпочтение отдавалосьгармониковым преобразователям частоты и анализаторам спектра с ихиспользованием, так как это направление обеспечивает наиболее быстроерешение первоочередных измерительных задач с наименьшими затратами .

Достоинством гармониковых АС ПД являетсяотноси-тельная простота, однако они имеют плохую чувстви-тельность и малыйдинамический диапазон, свободный от комбинационных помех. Эти проблемы снимаются при использовании АС ПД с преобразованием спектра КВЧ сигналов на1-ой гармонике гетеродина. При этом возможны следующие варианты построения преобразователей:

— с гетеродином на фиксированную частоту КВЧдиапазона ,

— с перестраиваемым гетеродином КВЧ диапазона,

формируемым путем умножения сигнала гетеродина СВЧбазового анализатора.

Фиксированные гетеродины применяются в случаях,

когда требуется выполнить спектральный анализ сигналов в относительно небольшом участке диапазона частот (не более10-12 ГГц) .

В случае необходимости исследований сигналов в полном частотном диапазоне волновода используются перестраиваемые гетеродины,перекрывающие по частоте этот диапазон.

Формирование сигнала такого КВЧ гетеродинаосущест-вляется умножением частоты задающего СВЧ — генератора. В спектресигнала гетеродина на выходе умножителей кроме основного, используемого впреобразователях колебания, содержатся побочные составляющие, кратные частоте задающего генератора. Исследованию комбина-ционных помех в КВЧпреобразователях, возникающих при немонохроматическом сигнале гетеродина ипосвящена дипломная работа .

Целью работы по исследованию комбинационных помех в преобразователях частоты, работающих на первой гармонике гетеродина — умножителя является:

— расчет относительных уровней комбинационных помех,

— экспериментальная проверка полученных теорети-ческихрезультатов.

2. Теоретический анализ комбинационных помех ,

обусловленных побочными колебаниями гетеродина

КВЧ в смесителе анализаторов спектра.

Вопросы расчета относительного ослабленияамплитуд

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 помощью различных методов аппроксимации :

— рядами Вольтерра ;

— экспоненциальном представлением ;

— в виде степенного ряда .

Первый метод для нашей задачи представляетсянеприемлемым ввиду громоздкости вычислений .

В нашей работе расчет комбинационных искажений проводился для двух видов аппроксимации вольт — ампер-ной характеристикисмесительных диодов :

— представлением вольт — амперной характеристики диода степенным рядом ;

— экспоненциальным представлением вольт — ампернойхарактеристики .

2.1 Метод аппроксимации В.А.Х. диода экспоненциальнойфункцией .

Для расчета комбинационных помех, возникающихна выходе полупроводникового преобразователя частоты , обусловленных наличием побочного колебания в сигнале гетеродина, воспользуемся методикой,предложенной в работе [ 8 ] .

В литературе [1 — 4] характеристикуполупроводнико-вого диода принято отображать экспонентой вида:
/> (2.1.1)

где /> — токчерез диод и приложенное к нему напряжение;

/>-коэффициенты аппроксимации .

Пусть на вход преобразователя поступаетнапряжение:

/> (2.1.2)

где /> -амплитуды и частоты составляющих входного

напряжения соответственно .

Подставляя в выражение (2.1.1) значениенапряжения (2.1.2), получим :

/> (2.1.3)

Величину /> можноразложить в 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) можноизвлечь выражения всех спектральных составляющих тока на выходе полупроводникового преобразователя частоты. Комбинационныесоставляющие, образующиеся в результате взаимодействия всех компонент спектра входногосигнала, имеют амплитуды:

/> (2.1.6)

и частоты />

Воспользуемся приведенными выше формулами для расчетаотносительного ослабления комбинационных помех.

Считаем, что на вход преобразователя поступаютнапряжения:

— гетеродина />

— измеряемого сигнала />

где /> -амплитуда и частота основного колебания гетеродина ;

/> -амплитуда и частота побочного колебания в сигнале гетеродина ;

/> -амплитуда и частота входного сигнала.

В результате основного преобразования (K1=1, K3=1) на промежуточной частоте /> образуетсясоставляющая тока с амплитудой :

/> (2.1.7)

В процессе взаимодействия побочного колебаниягете-родина и входного сигнала(K2=1, K3=1),на промежу-точной частоте /> образуетсясоставляющая тока с амплитудой :

/>(2.1.8)

Рассчитаем относительное ослабление комбинационнойпомехи :

/> (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 расчетаотносительного ослабления комбинационной помехи имеет следующий вид :

/> (2.1.13)

2.2 Метод аппроксимации ВАХ диода степенным рядом.

Для исследования продуктов комбинационных преобра-зований в смесителе в случае малой амплитуды гетеродина воспользуемсяаппроксимацией степенным рядом [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,представляет собой сумму напряжений :

/>(2.2.2)

где /> -напряжение и частота основного колебания гетеродина;

/> -напряжение и частота побочного колебания гетеродина;

/> - напряжение ичастота входного сигнала.

Для исследования комбинационных помех в смесителе невыше третьего порядка воспользуемся аппроксимацией вольт — амперной характеристикидиода полиномом пятой степени [1]. Найдем выражение для тока диода. Прирасчете учтем только члены, дающие вклад в выходной ток преобразователя напромежуточной частоте. В случае когда напряжение смещения постоянного тока равно нулю, вклад в выходной сигнал 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 сигналесмеси-теля при преобразованиях на основном и побочном колеба-ниях 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 рядМаклорена следует, что коэффициенты К2, К4 при членах разложения с четными степенями могут принимать только положительные значения. Тогда видно, что отношение

W2/W1 лежит в пределах :

/> (2.2.9)

или:

/> (2.2.10)

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

— при «большой» мощности основного колебаниягетеродина комбинационная помеха на выходе преобра-зователя ослаблена больше,чем побочное колебание в гетеродине ;

— при «малой» мощности основного колебаниягетеродина дополнительного ослабления комбинационной помехи на выходепреобразователя не происходит .

3. Расчет и экспериментальное измерение относительныхуровней комбинационных помех.

Основной целью эксперимента было определение динамическогодиапазона в АС мм диапазона по комбинационным искажениям с преобразованием на1-ой гармонике 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

25,95-37.5 ГГц.

_________ ________ ____________

| | | | | |

| 1 |------->| 2 | | 3 |

|_________| |________| |____________|

| |

------->-----------|

________ ________ ________ ____|____

| | | | | | | |

| 4 | | 5 |<---| 6 |<---| 7 |

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

| | |

__ |____ ____|___ ____|___ _________

| | | | | | | |

| 8 |<--| 9 | | 10 |--->| 11 |

|________| |________| |________| |_________|

___|____ ________ ________ _________

| | | | | | | |

| 12 |-->| 13 |<---| 14 |<---| 15 |

|________| |________| |________| |_________|

| ________

| | |

------>--| 16 |

|________|

Рис.1 Блок схема установки для исследования сигналагетеродина — умножителя.

— 14 -

1- задающий генератор Г4-80 (Г4-81);

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 Д3-36;

10- аттенюатор 10 дБ;

11- измеритель мощности P3;

12- перестраиваемый фильтр;

13- смеситель;

14- фильтр низкой частоты;

15- генератор Г4-56;

16- анализатор спектра СК4-87.

С генератора 1 напряжение сигнала поступает на умножитель

частоты 2 , где происходит умножение частоты задающего генератора.

Уровень мощности контролируется измерителеммощности 3. С умножителя

сигнал поступает на усилитель мощности 7,усиливается и через

направленный ответвитель 6 приходит на второйумножитель 5, где

происходит окончательное формирование сигнала КВЧгетеродина.

Далее через аттенюатор 9, переключатель 8 этотсигнал через

преселектор 12 подается на сигнальный вход смесителя13 для анализа.

На гетеродинный вход смесителя через ФНЧ 14 приходитсигнал с генера-

тора 15. Преобразованный сигнал исследуемого КВЧгетеродина поступает на

анализатор спектра 16 , где происходит его дальнейший анализ.

— 15 -

Рассчитаем частоту задающего генератора Г4-80для приема

начальной частоты Fc рассматриваемого диапазона.

Fзг=(Fc-Fпч)/n, (4.1.1)

где Fпч — промежуточная частота, Fпч=1 ГГц,

Fc — частота сигнала,

n — общий коэффициент умножения.

Таким образом Fзг= (26-1)/6 = 4,16 ГГц прииспользова-

нии умножителя на 2.Наибольший уровень на выходеумножителя на 2

имеет побочное колебание, получающееся умножением на3, то есть

9-ая гармоника задающего генератора.

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

Уровень основной гармоники Р6=12 мВт, а показаниеСК4-87 -4 дБм

при частоте настройки Г4-56 — 27 ГГц.ПерестройкойГ4-56 на часто-

ту 37,44 ГГц получаем отклик на СК4-87, равный -26дБм,

что соответствует уровню побочного колебания Р9=0,08мВт.

При использовании волноводного умножителя на 3частота задающего

генератора устанавливается Fзг= (26-1)/9 = 2,78 ГГц.Наибольший

уровень имеет побочное колебание, получающееся на12-ой гармонике

задающего генератора. Частота этого колебанияFп=Fзг*12 и будет

соответственно Fп=34,33 ГГц . Уровень основной гармоники

Р9=2,4мВт, а уровень побочного колебания Р12=0,8 мВтопределены

по описанной выше методике.

Уровни мощности основного колебания гетеродинаР6 и Р9

определяются максимально-допустимой мощностью навходе волновод-

ного умножителя равной 100 мВт.

— 16 -

4.2 Расчет и исследование уровнейкомбинационных помех

смесителя.

________ __________ _________ _________

| | | | | | | |

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

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

| |

________ _______ ________ ________ _________ |

| | | | | | | | | | |

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

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

| |

___|____ ____|____

| | | |

| 10 | | 11 |

|________| |_________|

Рис.2Блок — схема установки для исследований комбинационных

помех смесителя.

1-генератор Г4-80 (Г4-81)

2-умножитель на 3

3-усилитель мощности

4-умножитель на 2 ( на 3 )

5-генератор Г4-56

6-ФНЧ

7-переключатель

8-аттенюатор

- 17 -

9-смеситель

10-измеритель мощности

11-анализатор спектра СК4-87

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 6-ой или 9-ой гармоники ( в

- 17 -

зависимостиот того, какой у нас умножитель, на 2 или на 3 ),

далеесигнал поступает на гетеродинный вход смесителя 9.Сигнал

с генератора 5 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.

ЧастотаГ4-80 устанавливалась 4,16 ГГц при работе с умножением

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

на9. Уровень сигнала Г4-56 поддерживался постонным и равным

30мкВт. Значения частоты Г4-56 устанавливались такими же как

указано в разделе 4.1. Фиксировалось ослабление аттенюатора

Д3-36 при превышении отклика анализатора СК4-87 от входных

сигналов над собственными шумами на 3 дБ.

Результаты исследований сведены в таблицу, в ней же

приведены относительные уровни побочных колебаний гетеродина,

измеренныхв пункте 4.1:

таблица 1

______________________________________________________________

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

|тель | |Д3-36, дБ |помехи, дБ||колебания гетеродина|

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

| x2 | 27 | 76 | ---- || |

- 18 -

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

| x3 | 27 | 66 | ---- || |

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

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

Таким образом из исследований видно, что при использовании

умножителя на 2 ослабление комбинационной помехи превышает

относительный уровень побочного колебания гетеродина.

Дляоценки ослабления можно воспользоваться выражением (2.1.13).

- 18 -

При использовании умножителя на 3 относительный уровень

комбинационнойпомехи не ниже уровня побочного колебания гетеро-

дина.Дляоценки уровня помехи в этом случае можно воспользоваться

выражением(2.2.8).

Из полученных результатов следует, что коэффициент ум-

ножениязадающего генератора целесообразно выбирать таким образом,

чтобы использовать волноводный умножитель на 2.

- 19 -

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 |

------------------------------

- 20 -

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

1- генератор Г4-156

2- направленный ответвитель

3- фильтр полосовой

4- аттенюатор Д3-36

5- частотомер Ч3-66

6- измеритель мощности М3-53

7- вентиль волноводный ФВВН1-16

8- смеситель волноводный 7,2*3,4 мм

9- усилитель малошумящий ЕЭ2.031.242

10- преобразователь частоты 317/17 МГц

11- умножитель частоты на 2 ЯНТИ 434.841.067

12- усилитель средней мощности 10,7-17,7 ГГц

13- умножитель частоты (2-6,6)/(2-26) ГГц

14- анализатор спектра С4-85

- 20 -

Измерения проводились с использованием методики, изложенной в

разделе4.2. В качестве задающего генератора применялся гетеродин-

синтезаторприбора С4-85.

Ослабление комбинационной помехи на 12-ой гармонике задающего

генератора составило порядка 30 дБ.

— 21 -

- 21 -

4.Заключение

Полученные результаты теоретического анализа относи-тельных уровнейкомбинационных помех первого порядка в анализаторах спектра КВЧ спреобразованием на первой гармонике в случае немонохроматического сигналаисполь-зуемого гетеродина могут быть применены для 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 гете-родина недостаточна дляобеспечения оптимальных парамет-ров смесителя. Наиболее близкие к экспериментурезультаты дает метод аппроксимации ВАХ диода степенным рядом. Оценка поформуле (2.2.10)совпадает с результатами табли-

цы 1 .

Для второго случая лучшее совпадение результатов расчета относительных уровнейкомбинационных помех дает метод аппроксимации ВАХ диода экспонентой.Оценка по формуле (2.1.13) уровня комбинационной помехи дает резуль-тат на 2дБ ниже по сравнению с относительным

уровнемпобочного колебания для описанного в работе эксперимента без учета рассогласования на гетеродинном

входе смесителя . Измеренный уровень комбинационной помехи по данным таблицы 1 ниже относительного уровня побочного колебания на 5 дБ.

Результаты теоретических и экспериментальных иссле-

дованийотносительных уровней помех в АС мм диапазона, обусловленных наличиемпобочных колебаний в сигнале гетеродина, показывают, что динамическийдиапазон АС может быть обеспечен не менее, чем величина ослабления побочногоколебания только в случае достаточно большого

уровнямощности основного колебания гетеродина. Для исследованного смесителя наволновод сечением 7,2x3,4 мм этот уровень не должен быть ниже 10 мВт.

- 21 -

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.

- 23 -

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»,