автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.08, диссертация на тему:Разработка и исследование малошумящего болометра и входного преобразователя частоты супергетеродинного измерителя ослаблений

Основные обозначения^ сокращения.

ВВЕДШИЕ.

ШВА I. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БОЛОМЕТРА И БОЛОМЕТРИЧЕСКОГО СМЕСИТЕЛЯ.

§1.1. Болометр.

§1.2. Болометрический смеситель.

§1.3. Шумы болометра.

Выводы.

ШВА 2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БОЛОМЕТРА

И БОЛОМЕТРИЧЕСКОГО СМЕСИТЕЛЯ.

§ 2.1. Болометр как элемент электрической цепи.

§ 2.2. Коэффициент передачи болометрического смесителя.

§ 2.3. Теоретический спектр шума болометра .60'

§2.4. Коэффициент шума болометрического смесителя.

В связи с созданием средств высшей точности в области измерения ослаблений возникла необходимость разработки измерителя больших ослаблений (от 0 до 100 дБ) с точностью измерений, превышающей в несколько раз точность серийно выпускаемых средств. Точность измерений определяется, в основном, точностью используемой меры и динамическим диапазоном измерителя.

Наибольшую точность имеют измерители ослабления, в которых измеряемое ослабление на высокой частоте (ВЧ) сравнивается с ослаблением меры на промежуточной частоте (ПЧ). В настоящее время в качестве мер ослабления успешно используются резистивные аттенюаторы [i]. Чтобы свести к минимуму погрешность измерений, обусловленную мерой, аттестуемой с высокой точностью на постоянном токе, используют низкие промежуточные частоты (десятки герц).

В случае низких промежуточных частот наибольший динамический диапазон обеспечивает смеситель [21 на проволочном болометре, так как проволочный болометр, во-первых, имеет больший по сравнению с полупроводниковым диодом диапазон квадратичности [з1, во-вторых, смеситель с проволочным болометром имеет высокую чувствительность (пороговую) [2, 4, б].

Благодаря высокой чувствительности и большому динамическому диапазону, проволочные болометрические смесители давно применяются на СВЧ при точных измерениях ослабления и фазового сдвига [б], в ЗПР-спектроскопии [7I, при измерении спектров амплитудных шумов генераторов вблизи несущей 15 ]. Важным достоинством болометров является возможность применения их в большом диапазоне рабочих частот (от постоянного тока до оптического диапазона), что связано с тепловым принципом действия болометра. Широко используемые платиновые проволочные болометры отличаются долговременной стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Сравнительная простота конструкции позволяет изготавливать проволочные болометры с близкими характеристикамш, что необходимо при построении балансных схем, а также изготавливать болометры с заданным сопротивлением, что облегчает согласование их с измерительным трактом.

В качестве количественной меры пороговой чувствительности смесителя удобно использовать спектральную плотность мощности его шума, приведенного ко входу. Для ее теоретической оценки в случае проволочного болометрического смесителя получено значение Ю-18 Вт/Гц [2]. При расчете учитывались только тепловой шум болометра и шум, обусловленный флуктуациями его температуры. Чувствительность теплового приемника, определяемую тепловым шумом и флуктуациями температуры, называют [в! предельной. Согласно [4, 5, 8], проволочный болометр, в отличие от других нелинейных элементов (в том числе металлических пленочных [81 и полупроводниковых [8, 91 болометров), не должен иметь на низких частотах избыточного шума. То есть в смесителе на основе проволочного болометра должна реализоваться предельная чувствительность. Однако реальная чувствительность оказалась ниже расчетной более чем на порядок [ю]. Таким образом, увеличение динамического диапазона измерителя ослаблений возможно за счет повышения чувствительности смесителя до ее предельного значения. Для этого необходимо исследовать факторы, ухудшающие чувствительность, и найти пути ее повышения. Необходимо также уточнить само значение предельной чувствительности болометрического смесителя. Основными характеристиками смесителя, определяющими его чувствительность, являются низкочастотный (НЧ) шум и коэффициент передачи.

В известных работах по теоретическому и экспериментальному исследованиям шумов болометра не имеется однозначных сведений см.гл.I) о величине шума на низких частотах, о зависимости величины шума от конструктивных особенностей болометра, о величине выходного сопротивления болометра для его НЧ шума.

Рассмотрение коэффициента передачи болометрического смесителя, проведенное в известных работах (см.гл.1), не имеет необходимой для разработки смесителя и исследования его предельных возможностей степени общности. В них анализируется коэффициент передачи только "последовательной" эквивалентной схемы смесителя. В результатах расчетов имеются отдельные неточности.

Таким образом, исследования характеристик болометрического смесителя и его нелинейного элемента - проволочного болометра -с целью повышения чувствительности смесителя и увеличения динамического диапазона измерителя ослаблений являются необходимыми и своевременными.

Целью работы является разработка проволочного болометрического смесителя, предназначенного для применения в качестве входного преобразователя частоты супергетеродинного измерителя ослаблений на диапазон частот ниже 100 МГц, с чувствительностью смесителя, близкой к предельной (при нормальной температуре). Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

- сравниваются по величине коэффициента передачи различные эквивалентные схемы простого смесителя с одним болометром;

- рассчитывается предельная чувствительность болометрического смесителя;

- экспериментально исследуется НЧ шум проволочного болометра и выявляются факторы, влияющие на его величину;

- осуществляется экспериментальная проверка тепловой модели болометра, положенной в основу описания его динамических (частотных) и шумовых свойств, и оценивается точность определения его параметров, необходимых при расчете основных характеристик болометрического смесителя;

- разрабатывается малошумящий болометр с уровнем НЧ шума, близким к теоретическому пределу;

- разрабатывается широкополосный балансный болометрический о смеситель, имеющии степень подавления шума гетеродина, достаточную для реализации той чувствительности смесителя, которую позволяет получить использование в нем малошумящего болометра.

В диссертации рассмотрены "последовательная", "параллельная" и "раздельная" эквивалентные схемы смесителей, отличающиеся спо-собаш подключения к болометру эквивалентных источника сигнала и гетеродина. Сравнение этих схем показало преимущества "раздельной" схемы - имеющей наибольший коэффициент передачи при оптимальных значениях ее параметров. "Раздельная" схема реализована в разработанном и описанном в диссертации балансном болометрическом смесителе.

В диссертации на основе результатов экспериментальных исследований показано, что уровень НЧ шума проволочного болометра в общем случае существенно выше теоретического, то есть в нем имеется избыточный шум, Установлено, что величина избыточного шума в значительной степени зависит от конструктивных особенностей болометра. На основе проведенных исследований даны рекомендации по выбору конструкции болометра с минимальным уровнем избыточного шума и разработан малошумящий болометр (для диапазона частот ниже 100 МГц), уровень шума которого снижен практически до предела, определяемого теорией.

Для описания болометра используют тепловую модель в виде сосредоточенной тепловой системы, характеризуемой не зависящими от частоты параметрами - теплоемкостью и коэффициентом теплообмена. В диссертации на основе исследования зависимости эквивалентных тепловых параметров болометров от частоты выполнена проверка этой модели, позволяющая решить вопрос о ее применимости к конкретным конструкциям болометров и оценить погрешность определения характеристик болометра и болометрического смесителя, обусловленную приближенным характером модели.

Известно, что с приближением к "несущей" амплитудные шумы генераторов возрастают. Поэтому в смесителях с низкими промежуточными частотами ддя получения высокой чувствительности необходимо обеспечивать высокую степень подавления преобразованных на его выход шумов гетеродина. В работах [2, 5-7] приведены рекомендации по конструированию болометров и болометрических смесителей СВЧ диапазона. В диапазоне частот ниже 100 МГц болометрические смесители ранее не применялись, описание их конструкций и параметров отсутствовало. В диссертации описан балансный болометрический смеситель этого диапазона, позволяющий реализовать предельные возможности болометра, и приведены результаты исследования его характеристик.

Большинство выводов в работе, в том числе выносимые на защиту основные положения, сформулированы на основе результатов экспериментальных исследований, выполненных на болометрах из платиновой проволоки (нити) диаметром 1,5 мкм, находящейся в воздухе, имеющем нормальные температуру и давление.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Приведенная к единице длины нити спектральная плотность шумового напряжения болометра на частоте 10 Гц уменьшается в 30 раз при уменьшении длины нити с 4 до 0,3 мм.

2. Спектральная плотность шума разработанного болометра снижена до значения,не более чем в 1,3 раза превышающего теоретически возможное.

3. Чувствительность разработанного широкополосного (1-ЮОМГц) входного преобразователя частоты на основе малошумящего болометра близка к предельной. Она определяется собственным шумом болометра и составляет 1,1 •10"*-^ Вт/Гц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На частоте 10 Гц спектральная плотность шумового напряжения болометра, приведенная к единице длины нити, уменьшается в 30 раз при уменьшении длины нити с 4 до 0,3 мм и в 18 раз при уменьшении внутреннего диаметра капсулы с 4,3 до 0,8 мм.

2. При близком расположении нити и поверхности, ограничивающей область окружающей газовой среды, существенной может оказаться составляющая шума болометра, обусловленная флуктуационными отклонениями нити. Так, для нити длиной 5 мм, расположенной на расстоянии 0,2 мм от металлической стенки, спектральная плотность шумового напряжения на частотах 80 и 250 Гц возрастает соответственно в 2 и 4 раза.

3. Правомерно эквивалентное представление болометра в виде источника шумовой э.д.с. с внутренним сопротивлением, равным динамическому сопротивлению болометра.

4. Разработан малошумящий болометр, спектральная плотность шума которого в рабочем режиме не более чем в 1,3 раза превышает теоретически возможное значение, определяемое тепловым шумом болометра и флуктуациями его температуры.

5. Разработан балансный болометрический смеситель на диапато зон частот 1-100 МГц, имеющий чувствительность 1,1*10 Вт/Гц, что близко к предельной.

Разработанный смеситель на основе малошумящего болометра применен в:

- Поверочной установке высшей точности для измерения ослабления электромагнитных колебаний на фиксированных частотах в диапазоне 0,01-100 МГц, разработанной и хранящейся во ВНИИФТРИ;

- двух комплектах приборов для поверки магазинов затухания (КППМЗ) в диапазоне частот 0-100 МГц, эксплуатируемых на одном из предприятий;

- образцовых установках для поверки магазинов затухания (УПМЗ-ЮО), опытная серия которых, изготовленная в 1983 году, предназначена для оснащения метрологических центров страны.

Применение разработанного болометрического смесителя позволило уменьшить погрешность измерения больших ослаблений (60 -100 дБ) в несколько раз по сравнению с погрешностью серийно выпускаемых образцовых средств измерения ослабления.

1. Гладков В.Д., Гулюкин B.C., Сангалова Л.А., Седов В.И., Белоусов Ю.И. Резисторный магазин затухания высокой точности.- Исслед. в обл. радиотехнич. измерений: Труды/ШИИФТРИ-М., 1977, в.33(63), с.19 - 29.

2. Петросян Ф.Н. Применение болометра в качестве смесителя супергетеродинного приемника.- Исследов. в обл. радиоизмерений: Труды/ВНИИФТРИ М., 1970, в.2(32), с.131 - 145.

3. Sxyt^e/t S. U., В. 0. Сопу>оисшт clj^ULtum.jfs>torn, i^cta^ci Намг R F c/c^tcd о/миЬл anJ

4. Ьа^-IRE Т-иьп*., p. ЮЗ-Hi.

5. Черников В.З. Исследование шумов проволочного платинового болометра и шумфактора смесителя на нем.- Методы и аппаратура измерений на СВЧ: Труды/ВНИИФТРИ М., 1973,в.13(43), с.90 96.

6. Гсльба В.А. Разработка и исследование метода измерений ослабления и фазового сдвига в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах вслн.- Диссертация на соискание ученой степени канд. технич. наук/ ВНИИФТРИ М., 1970,- <264 с.

7. F-еЖлк G. ^^K^Wc^y сюпмсЬгллХйуп Ul т<Ш1Ш><хл>?роигихмлу^тХьс х/ЦгОгииьсг tiobni^cctb . —

8. В-еК Syrt.TecAn.f.,W?,#.36,*/2t р. M9-W

9. Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и измерение инфракрасного излучения.- М.: ИМ, 1959,- 448с.

10. Каринджелла, Эйзенман. Система дяя измерения низкочастотных шумов.- Приборы дяя научных исследований, 1962, № 6, с. 64 66.

11. Адерихин Б.И., Беккеров Б.П.; 0 динамическом диапазоне измерительного приемника.- Исследования в области радиотехнич. измерений: Труды/ШИИФТРИ М., 1977, в.33(63),с.96-104.

12. Шашков А.Г., Касперович А.С., Динамические свойства цепей с термисторами.- М.-Л.: 1Ш, 1962, 208с.

13. Араме, Аллен, Пейтон, Сард. Смешение и детектирование в миллиметровом диапазоне с использованием объемных эффектов в In Si .- Тр. ин-та инженеров по радиотехнике и радиоэлектронике, 1966, № 4, с. 183 194.

14. Адерихин В.И. Малошумящий болометр.- Измерительная техника, 1980, № 2, с. 41 42.

15. Гинзтон Э.Л. Измерения на сантиметровых волнах.- М. :ИИЛ, I960, 620с.

16. Петросян Ф.Н., Пятигорский Л.М., Исследование быстродействия болометров.- Теоретич. исследов. в обл. физики: Тр. ин-тов

17. Комитета/ БНИИФТРИ М., 1966, в.80(140), с. 100 - 107.

18. Черников В.З. Влияние схемы включения и конечной длины болометра на его инерционность.- Исслед. в обл. радиоизмерений: Сб. научн.тр./ВНИИФТРИ, -М., 1970, в.2(32), с. 155 164.

19. G-ocUUc&z H- 8&Jlt>tl$cJb2 Lend tA^jnUcJu ffjUasxadlcm

20. ЛллсАйЛ^оссп^е^. an rnetaMucAm JUittstn.- Z. confer. РЬумЖ, i959} B. XT, H. s. /43-/47.

21. ScAjLicCkouuMx К. £>cy> Кош^сАщ гНУп vt}uynbielxutdttn fruited

22. CcbcJuLn <1ялХелн cm G&iut lAucmlirC^wr . ~

23. Z. cuiybur. Ptyul, №1, BMf //. 8, S. 3&0-385-.

24. Адерихин В.И. Тепловая модель и низкочастотные шумы болометра.- Тезисы докладов / 5-ая Всесоюзная научно-технич. конф. "Метрология в радиоэлектронике", 22-24 сентября 1981г., -М., 1981, с.244-245.

25. Черников В.З., Ознобишин В.В. Исследование коэффициента передачи болометра в режиме теплового смесителя.- Исслед.в обл. радиоизмерений: Труды / ВНИИФТРИ, М., 1970, в.2(32), с.146-154,

26. Биргер Л.А. Преобразование частоты при помощи нелинейных инерционных сопротивлений.- Радиотехника и электроника, 1963, т.8, № 10, с.1678 1684.

27. Вороненко В.П., Выставкин А.Н., Навроцкий В.И. 0 преобразовании частоты миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на объемном полупроводниковом нелинейном элементе.- В сб.:

28. Полупроводниковые приборы и их применение/ Под ред. Я.А. Федотова,- М., Сов. радио, 1971, в.25, с. 329 356.

29. WhcM-n Wethgcdz С. ТёшреяаМхке cLpmxdjtvicj? oficotvitex&ion CL4vd чщхугШ. twvt (У^ InSS hWXLVti.-IEEE (970, v. EQ-f7,M, p. 310-3(9.

30. Кристаллические детекторы.- M.:Сов.радио,1950, ч.1,-332с.

31. Зил А. ван дер.Флуктуации в радиотехнике и физике.- М.-Л.: 1Ш, 1958, 296с.

32. Сксшпал R. P., MMvMw.H., Шпуш d. Tfwtyiy. OLslcL рел^<уъ+ггсиьа of mztaJ 1ю1ом£Яии>. -Opt, Soc. dm., 1956, v.46, л/7, p. 460-477.31. rf-'tf- F 1и,с£шх£иОУЪ*> ш /b&t tuvu^tAn- Oppt. 19&, V7, p. 1890-1893.

33. JU S.C., ctum Т.Н. fioiu in rrwtocl itotom&tisu.ff. Oppl Pkt^., 1967, v. 38, л/9, p 3349-3451.

34. Зил А. ван дер. Шумы при измерениях.- М.: Мир, 1979,-292с.

35. Caution Н.^-, S-U-сАелМ• ttccouccu^ of io/jjrrudist p(yu>*stjstemmtb. Ръос. IRE, 1952, v.40, л/9, p. 1042-1048.

36. Адерихин В.И., Экспериментальное исследование низкочастотных шумов проволочного болометра.- Образцовые средства измерений в радиотехнике сверхвысоких частот: Сб.научн.тр.

37. ШИИФТРИ М., 1980, с. 79 - 88.36. fW., H&rn P.M. i/f fLOLM иг CC/opfSt Ъ1г/ъ1у&лл. — SolixL $ta£* (^MwujwuxtLon*, 1977\ i>.2l7 a/7, p. 679-681.

38. Нейман JI.P., Демирчян K.C. Теоретические основы электротехники.- М.-Л.: Энергия, 1966, т.2 407с.

39. Адерихин В.И. Балансные болометрические смесители на диапазон частот 0,01 100 МГц.- Образцовые средства измерений в радиотехнике сверхвысоких частот: Сб. научн.тр.

40. ШИИФТРИ М., 1980, с. 54 - 60.

41. WAcJAn f.tf., C.R. WW оп„ dfoOwtcJesif ciA^tut &Ц- &<>lom&tejt cUtcct<yt. — .EВE Тъбиц.} 1969, tf MTT-17, f/7, p. 403-404.

42. Гуткин Л.С. Преобразование сверхвысоких частот и детектирование.- М.-Л.: ГЭИ, 1953, 415 с,

43. Тетерич Н.М. Генераторы шума и измерение шумовых характеристик.- М.: Энергия, 1968, 216 с.

44. Гинзбург В.А., Шабанский В.П. Кинетическая температура электронов в металлах и аномальная электронная эмиссия.-Докл.АН СССР, 1955, т.100, В 3, с. 445 448.

45. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика.- М.: Наука, 1976, ч.I,— 584 с.

46. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. 4.1. Случайные процессы.- М.:Наука, 1976, 496с.

47. Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая термодинамика.-М.: Наука, 1971, 416 с.

48. Морс Ф. Теплофизика.- М.: Наука, 1968,- 416 с.

49. Горшков Ю.А., Уманский А.С. Измерение теплопроводности газов.- М.: Энергоиздат, 1982, 224 с.

50. Vobi R.F., СХалЛсе ^Ftiokw (i/f) /гош : ^uxM^zUcmand f^otuxxytU)^ . —

51. В, 19 TG, v. 13, р. 5-5-6-573.

52. Т.&.М. Тешр-ел&£оиъе ^ZujcXc/uoiXionA сшА

53. KoUe in lUnicoruLu^frytA СШс1 rrwtcbb. — Pfu^icOLj1976, V-. 84 В, p. 35-3-361.

54. Зил А. Ван дер. Шум. Источники, описание, измерение.-М.: Сов. радио, 1973, 228 с.

55. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика.- М.: Наука, 1976, 480 с.

56. Теплопроводность газов и жидкостей /Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Юрчак Р.П.- М.: Изд-во стандартов, 1970, 156 с.

57. Кочан М.Н., Галкин B.C., Фридяендер О.Г. О напряжениях, возникающих в газах вследствие неоднородности температуры и концентрации. Новые типы свободной конвекции.- Успехи физических наук, 1976, т.119, вып.1, с. III-I26.

58. А.С. 634II7 (СССР). Болометр /В.И.Адерихин, В.П.Беккеров, В.И.Пругло.- Опублик. в Б.И., 1978, гё 43.

59. Фрушин В.Д. Особенности работы термисторов при воздействии на них импульсного с.в.ч. сигнала.- Измерительная техника, 1961, №3, с. 45-51.

60. Беккеров В.П. О-нелинейности преобразования болометрического смесителя.- Исслед. в обл. радиотехнич. измерений: Труды/ВНИИФТРИ М., 1977, в.33(63), с. 30-38.

61. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е. Исследование термодинамических свойств веществ.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, 559 с.

62. RuMscoj{ С. L. Some i^oad- kxsul Ьсалпл^оъм&сь. -Ptoc. IRE,1959, гд 47, л/8, p. 1337-1342.

63. Мовшович М.Е., Полупроводниковые преобразователи частоты.-Л.: Энергия, 1974, 336 с.

64. Кейнат Г. Электрические приборы дяя измерения температуры.-Л.: Научн. химико-технич. изд-во Всехимпром ВСНХ СССР, 1930, 301 с.

65. Бунимович В.И. флюктуационные процессы в радиоприемных устройствах.- М.: Советское радио, 1951, 360 с.

66. Биргер Л.А. Погрешности измерения ослабления супергетеродинным методом.- Радиотехнические измерения: Тр.ин-тов Комитета / Комитет стандартов, мер и измерительных приборов:;при Совете Министров СССР.- М., I960, в.44(104), с. 10-27.

67. HicUuA B.O.,So>tftx £ V.,Rjouff S.f. CaM^nxiXion orf isLfynaJ (^иипмХ&т output v-fMccyz Ln tasLgje of {00 to iOOO тг^ас^сЫ.-IRE Тгалы., /958, V. p. 275-2.79.

68. Адерихин В.й., Беккеров В.П. Поверочная установка высшей точности для измерения ослаблений в диапазоне частот0,01 100 МГц.- Измерительная техника, 1979, № 9, с.66-68.