автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.08, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и образцовой аппаратуры для градуировки низкотемпературных генераторов шума

Основные сокращения и обозначения

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Анализ особенностей средств измерений слабых шумовых сигналов

1.1. Определения, обозначения и измеряемые величины

1.2. Характерные особенности генераторов шума СВЧ.

1.2.1. Типы ГШ СВЧ и динамический диапазон их ЭШГ.

1.2.2. Тепловые ГШ.

1.2.3. Газоразрядные ГШ.

1.2.4. Генераторы шума на ЛИД.

1.3. Компараторы ГШ, их основные узлы и требования к ним

1.3.1. Назначение и основные узлы компараторов

1.3.2. Требования к переключающему и согласующему устройствам

1.3.3. Особенности радиометров и их метрологические характеристики

Выводы по главе I

ГЛАВА 2. Разработка и исследование компаратора НГШ

2.1. Обоснование выбора и анализ метода и схемы согласования

2.1.1. Выбор критерия и метода согласования

2.1.2. Анализ метода и схемы согласования НГШ.

2.3. Обоснование выбора метода компарирования

2.4. Устройство и принцип работы компаратора НГШ

2.4.1. Устройство компаратора НГШ.

2.4.2. Особенности схемы радиометра компаратора НГШ

2.4.3. Принцип работы компаратора НГШ

2.4.4. Компарирование ГШ.

2.5. Анализ погрешностей компарирования.

2.5.1. Составляющие погрешности компарирования

2.5.2. Анализ погрешности компарирования согласованных ГШ

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Низкотемпературная мера СПМШ.

3.1. Прототипы, их устройство и общие принципы аттестации

3.1.1» Возможности использования серийных НГШ.

3.1.2. Устройство и цринципы аттестации

3.2. Разработка требований к конструкции и основ метода ее аттестации

3.3. Исследование метода аттестации.

3.3.1. Вывод формулы связи теплоэлектрических параметров используемых сплавов.

3.3.2. Варианты метода аттестации

3.3.3. Анализ погрешности аттестации.

3.3.4. Экспериментальная проверка соответствия конструкции ее математической модели

3.3.5. Результаты аттестации и анализа.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Исследование методов и средств аттестации образцовой установки для градурфовки НГШ.

4.1^ Метрологические параметры установки

4.2. Метод последовательного удвоения мощности СВЧ и его анализ

4.3. Применение и ацробация метода последовательного удвоения мощности СВЧ

4.3.1. Независимая поверка и аттестация измерителей отношений по нелинейности

4.3.2. Апробация метода независимой поверки и аттестации

4.4. Измерение малых потерь в коаксиальных трактах компаратором НГ1.

4.5. Градуировка рабочих НГШ

4.6. Сличение с государственным эталоном единицы СПМШ

Выводы по главе 4.

Заключения о практическом использовании результатов диссертационной работы.

Актуальность. При разработке и эксплуатации современных ма-лошумящих приемно-усилительных устройств, которые все шире используются в различных областях науки и народного хозяйства , включая изучение природных ресурсов Земли, сельское хозяйство и медицину, возникает необходимость в измерении интенсивности слабых шумовых сигналов с эквивалентными шумовыми температурами (ЭШТ) ниже 300 К. Точность измерений такого рода значительно повышается при использовании низкотемпературных генераторов шума (НГШ), охлаждаемых сжиженными газами (обычно азотом или гелием), которые восцроизводят шумовые сигналы с известными ЭШТ, близкими к измеряемым.

В связи с интенсивням развитием указанных областей, соответствующим основным направлениям экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г.[4] объем измерений, требующих обязательного црименения НГШ, быстро увеличивается и потребность в НПИ постоянно растет . Ранее эта потребность удовлетворялась небольшим количеством нестандартных НГШ, разрабатываемых различными ведомствами для решения своих узко специальных задач. В настоящее время парк НГШ, выпускаемых в составе серийной аппаратуры ( типов Х5- и ПК7- ) насчитывает сотни штук и неуклонно расширяется. При этом, поскольку все НПП аттестуются как правило независимо друг от друга - методом поэлементной аттестации, возникает проблема обеспечения достоверности результатов аттестации НГШ. Особенно актуальна эта проблема при измерениях в коаксиальном тракте 7/3,04 мм на частотах I-I2 ГГц. Ее острота подтверждается выборочным сравнением серийных НГШ, обнаруживающим несоответствие действительных и приписываемых значений ЭШТ.

Состояние вопроса. Современные требования к точности измерений интенсивности слабых шумовых сигналов СВЧ цриводят к необходимости градуировки рабочих НГШ с погрешностью не более 2 К.

Градуировка коаксиальных азотных НГШ путем сличения с высокотемпературными мерами государственного первичного эталона спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения (СПМШ) нецриемлема [2,3 ]• Погрешность такой градуировки даже при помощи идеального компаратора будет более чем в 5 раз больше требуемой.

Необходимая точность достигнута для НГШ на прямоугольных волноводах в отдельных участках диапазона СВЧ при использовании исходных образцовых низкотемпературных мер СПМШ (образцовых НГШ), аттестуемых поэлементно, и высокочувствительных компараторов Однако известные конструкции НГШ и компараторы, а также методы их аттестации сложны. Это приводит, в случае широкодиапазонных коаксиального образцового НГШ и компаратора НГШ, к громоздким и дорогостоящим измерительным системам, содержащих СВЧ образцовые меры ослабления и требующих трудоемкого высококвалифицированного обслуживания.

Цель работы состоит в разработке и исследовании методов и образцовых средств измерений для градуировки НГШ с коаксиальным выходом 7/3,04 мм, а также методов независимой поверки этих средств.

Основные задачи, потребовавшие постановки и решения для достижения указанной цели, следующие:

I. Исследование и разработка методов компарирования ГШ и компаратора НГШ, обеспечивающего возможность самоповерки, для диапазона I-I2 ГГц.

2. Разработка и исследование математической модели НГШ, обеспечивающей, цри ее реализации в конструкции коаксиального образцового НГШ, замену трудоемких измерений при аттестации более простыми.

3. Разработка, анализ и экспериментальное исследование метода независимой поверки компаратора НГШ.

Научная новизна основных решений этих задач в следующем: I.I. Проведен теоретический анализ процесса компарирования ГШ в результате которого:

- показано, что широко распространенный метод измерения отношения мощностей СВЧ шума в смежных полупериодах модуляции на входе радиометра (известный как метод Y - фактора [6,7 ]) не оптимален для градуировки ГШ;

- разработан метод измерения отношения разности этих мощностей к меньшей из них (со1фащенно метод Д - фактора), обеспечивающий при реализации его в радиометре с пилот-сигналом устранение погрешности компарирования ГШ, обусловленной постоянной и линейно возрастающей в динамическом диапазоне систематическими погрешностями измерения отношения.

2. Предложена и исследована математическая модель НГШ, учитывающая зависимость от температуры и взаимную связь теплопроводности и электропроводности материала однородного теплоразвя-зывающего СВЧ тракта. На основе этой модели разработаны конструкция и метод аттестации азотного НГШ, а также показано, что:

- трудоемкие измерения распределения температуры по тракту при аттестации можно заменить более простым измерением отношения электрических сопротивлений материала тракта цри нормальных условиях и в жидком азоте;

- погрешность аттестации, обусловленная неопределенностью распределения температуры по тракту и несоответствием модели, не превышает 0,2 К на каждый процент потерь мощности СВЧ в тракте;

- эта погрешность, в случае тракта из нержавеющей стали, уменьшается в 8 раз, если определить отношение его электрических сопротивлений при нормальных условиях и в жидком азоте с погрешностью не более 10%.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований возможности независимого воспроизведения расчетных изменений мощности СВЧ показано, что компараторы ГШ, измерители коэффициента шума и т.п. приборы, а также поляризационные аттенюаторы можно арестовывать (по нелинейности или ослаблению соответственно) без мер ослабления - простым в реализации методом последовательного удвоения мощности взаимонезависимых ГШ, цри котором погрешность аттестации не превышает соответствующих погрешностей общепринятых методов.

4. Получены выражения, взаимосвязывающие зависимости теплопроводности и электропроводности некоторых плохо цроводящих тепло сплавов от температуры в диапазоне 80-300 К.

5. Впервые в СССР создана и исследована образцовая установка для градуировки коаксиальных НГШ с выходом 7/3,04 мм в диапазоне частот I-I2 ГГц с погрешностью 0,7-1,5 К.

К защите представлены следующие тезисы:

I. Метод измерения отношения разности мощностей шума в смежных полупериодах модуляции к меньшей из них, реализованный в радиометре с пилот-сигналом, устраняет погрешность компарирования ГШ, обусловленную постоянной и линейно возрастающей в динамическом диапазоне систематическими погрешностями измерения этого отношения.

2. Азотный НГШ, разработанный на основе модели однородного СВЧ тракта с постоянным тепловым потоком, можно аттестовать с погрешностью, обусловленной несоответствием модели и неопределенностью расггределения температуры по тракту, не более 0,025 К на каждый цроцент потерь мощности СВЧ в тракте, если известно отношение электрических соцротивлений материала тракта при температурах его концов с погрешностью не более 10%.

3. Метод последовательного удвоения мощностей взаимонезависимых ГШ, реализованный в компараторе НГШ, обеспечивает его независимую поверку по нелинейности и аттестацию поляризационных аттенюаторов с шагом 3 дБ и погрешностью 0,005 \|ЬкГ дБ при 7, где Yi - число шагов.

ЗАКЛШЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан и исследован метод измерения отношения разности мощностей шума в смежных полупериодах модуляции, обеспечивающий меньшую погрешность компарирования ГШ, по сравнению с известным методом у -фактора, в ряде црактичееки важных случаев.

2. Разработан и исследован компаратор НГШ, обеспечивающий компарирование низкотемпературных и газоразрядных ГШ, а также аттестацию полдазационных аттенюаторов в диапазоне I-I2 ГГц.

3. Разработана и исследована математическая модель НГШ, учитывающая зависимость от температуры и взаимосвязь теплопроводности и электропроводности материала теплоразвязывающего СВЧ тракта.

4» Разработан НГШ и метод его аттестации, позволяющие заменить трудоемкие измерения распределения температуры по тракту более цростым измерением отношения электрических сопротивлений тракта цри нормальных условиях и в жидком азоте без увеличения погрешности аттестации.

5. Разработан и исследован метод последовательного удвоения мощности вэаимонезависимых ГШ, обеспечивающий независимую аттестацию компараторов ГШ, измерителей коэффициента шума и т.п. приборов непосредственно на их рабочих частотах^

6. Проведены сличения разработанной аппаратуры с государственным первичным эталоном единицы СПМШ и образцовыми установками ДК1-12 и ДК1-16.

На основе этих результатов впервые в СССР разработана, исследована и аттестована образцовая установка ВНИИФТРИ, обеспечивающая градуировку коаксиальных НГШ, газоразрядных ГШ и их ком-парирование в диапазоне I-I2 ГГц, а также показана возможность использования этой установки для аттестации поляризационных аттенюаторов.

Таким образом диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу и содержит новые решения актуальных задач. Эти решения апробированы путем сличения разработанной аппаратуры с государственным первичным эталоном единицы СПМШ и образцовыми установками для измерения ослаблений типа ДК1-12, ДК1-16.

Результаты, полученные в диссертации, внедрены путем их использования при разработке и аттестации: образцовой установки для градуировки НПП во ВНИИФТРИ, а также азотных НПИ, установок для измерения ослаблений и шумовых параметров приемно- усили -тельных устройств на ряде промышленных предприятий и НИИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ о'практическом использовании метода независимой поверки нелинейности приемников, разработанного

Резчиковым А.А.

Существующие в настоящее время методы измерений нелинейности связаны с применением образцовых мер ослабления. Разработанная автором методика поверки нелинейности (см.журнал "Измерительная техника" 1979 год, № 10) не требует применения специальных мер, что значительно облегчает поверку и аттестацию приборов.

Указанная методика применялась при разработке измерителей параметров антенн ПК7-15.;.ПК7-22 и позволила решить вопрос метрологического обеспечения в отношении линейности данных приборов.

Шкалън т отделения к,Караулов 1 1984 г.

ЛСЖЕгЧ'Е А

ДАЮ " ч-l \ к'

Заключение о практиче установки "Ария" в РТИ АН СССР.

Высокоточная экспериментальная установка для измерения малых значений коэффициентов шума (КШ) и калибровки генераторов шума, разработанная при участии тов. Резчикова А.А. по договору с СКВ ВНИИФТЕИ в рамках ОКР по теме "Ария", как опытный образец используется в РТИ АН СССР с 1978 года по настоящее время в опытно-конструкторских работах для прецизионных измерений параметров разрабатываемых малошумящих усилительных и преобразовательных устройств.

Установка "Ария" обеспечивает высокую точность и стабильность в работе.

Установка позволяет измерять малые значения коэффициентов шума в пределах 1,1.20 единиц и выполнять градуировку генераторов шума с погрешностью 6%, что в 1,5.Т.2 раза точнее серий-новыпускаемых средств измерений аналогичного назначения (Х5-9,

X5-I0, X5-I2).

Главный метролог РТИ АН СССР

Артемов В.М.

1. Материалы Ш1.съезда КПСС. М., 1981, стр. 131-206

2. ГОСТ 8.037-81 "Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения в диапазоне частот 0,002-37,5 ГГц"

3. Хинрикус Х.В. Методы измерения параметров квантовых парамагнитных усилителей. Москва, 1968, стр.90-112.

4. ММгл С.K.S. KoufuAttW-C. М. &. "Л/oUt H^iUmdU,

5. Mee^ustLmonfa сипЫ ЙмЛпмя, Л/еиЛС Я^г/сrUtcont , fltod. of ike Ш£. I/SS: M 6,Ju,nt /967, pp. 865-877.

6. ТгЬОлП ^бисСсОП^ У. 1М-13,МЬ, рр336зьг.

7. Биргер Л.А., Соков И.А. "Образцовые тепловые генераторы шума", Измерительная техника, № I, 1962, етр.47-50.

8. XI. С. Т. l^w р-еъаЛиьоь УЛлосоuMWt ThotYwJl л/а-Сьс Sousvect>rI£££- Т^уил. V.MTT-1Ъ, JowvuMsty, fd&5,jop. /28-/30.

9. Алмазов-Долженко К.И. "О погрешности измерений эквивалентных шумов входа малошумящих усилителей*. Вопросы радиоэлектроники. Серия I», вып.И» I960, с.

10. Кп<о€€ К. 6. vvUvutstieyri ttu. <£€г^Ьъо^ lew ре,-t&stustc с> вол л/ас-ьс Меялимс1. P#U6opi> fUf>1*>.in the УИъаъомЖлМ, {legion. Ac^cu TccA. Hctwfy&b, I/. yZ} Мб. /-3, /063, P/D.&23-&9&.

11. Тагер А,С,, Вальд-Перлов В,М. Лавинно-пролетные диоды и их црименение в технике СВЧ, 1968, с.16. TiunJi 1967, p.

12. Башаринов А.Е. и др. Измерение радиотепловых и плазменных излучений в СВЧ диапазоне. Москва, 1968, с.352-371.

13. Краус Д.Д. Радиоастрономия (пер.с англ.), Москва, 1973, с.

14. Есепкина Н.А. и др. Радиотелескопы и радиометры. Носква, 1973, с.

15. HaZj-оъЫ J. ААн^С б&мрагъ&Ь&иь амбС 61СсмоСам0С*> -fob £ cw.pt К Icuvw/.'I£££ Тъвигъь. V. IM- /5, Q^cc m £e>t 13 M,pp. 3/0-3/7.

16. Резчиков А.А. "Критерий выбора метода согласования сравниваемых генераторов шума СВЧ" Исследование метрологических характеристик эталонов и образцовых приборов в области радиоизмерений СВЧ: Сборник тр./ВНИИФТРЙ - М., 1983, с.37-42.

17. Резчиков А.А. "Шумовые параметры приемно-усилительных устройств СВЧ", Измерительная техника, 1976, № 8, с.72-73

18. Уздин Р.И. "Выбор условий согласования приемника и генераторов шума цри точных измерениях на СВЧ" Метрология в радиоэлектронике. Тезисы докладов Ш Всесоюз.сем.-совещ./ ВНИИФТРИ - М., 1975, с.36-37.

19. Резчиков А.А., Ознобишин В.В. Образцовая установка для аттестации образцовых низкотемпературных ГШ. Исследования эталонов сравнения в области радиотехнических измерений: Сб.научн.тр./ВНИИФТРИ. -М., 1982, с.51-56.

20. Резчиков А.А, Метод согласования при сравнении низкотемпературных ГШ СВЧ. Исследование метрологических характеристик эталонов и образцовых приборов в области радиоизмерений СВЧ: Сборник научн.тр./ВНИИФТРИ - М., 1983, с.95-98.

21. Резчиков А.А., Пучков Е.В. Установка для поверки ИКШ -Измерительная техника, № 10, 1978, с.

22. EE Тгсмл. сую ТЬс&су, а^пЫ Теск-иЛулсе^,1. V. МТТ-/6, М 9; /968 pp.

23. Уайт Г.К. Экспериментальная техника в физике низких температур М. 1961, с.368

24. Мерисов Б.А. и др. Теплопроводность конструкционных сплавов в интервале температур 4,2-300 К. -Теплофизические свойства веществ при низких температурах: Материалы 1-го Всесоюзн. совещ./ВНИИФТРИ М. 1972 с.85-88

25. Резчиков А. А. Анализ погрешности и самоповерка компараторов НГШ СВЧ. Исследование метрологических характеристик эталонов и образцовых цриборов в области радиоизмерений СВЧ: Сборник научн.тр./ВНИИФТРИ - М. 1983. с.57-62

26. Резчиков А.А. "Аттестация образцовых азотных генераторов шума" Образцовые средства измерений в радиотехнике сверхвысоких частот: Сборник научн.тр./ВНИИФТРИ - М., 1980, с.14-19

27. Уэрт Ч., Томпсон Р. Физика твердого тела М., 1969, с.558

28. Кожевников И.Г., Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов цри низких температурах (справочник), М., 1982, с.2035. b&o/idUiQ J. Tfu, UK л/ationcot Ъ^амсСахлС of ЖгсМ-ималяс л/oiJirC аЛ 4/ Grf-/z а^иоС

29. Тп^ыги. 1в?5, 2, A/ft, f>/0. Мб'-$22.

30. UosiA A. F, СШЫл £. WaMa^c &Л wtVtuiAty Ьсукс e^iywin^ сМсуА at- (куо^уисл, IО О, М /9 Ю,

31. Абрамова О.С., Гольба В.А., Петросян О.Г. и др. Генератор шума миллиметрового диапазона. Измерительная техника, 1982, № И, с.60-61.

32. Сквайре Д. Практическая физика (пе. с англ.) М., 1971, с. 18-41

33. Малков М.П. и др. Сцравочник по физ.-техн. основам глубокого охлаждения. Госэнергоиздат, 1963

34. Жданович В.А., Чашкин Ю.Р. "Новые рабочие эталоны единицы те-плоцроводности твердых тел из кварцевого стекла и нержавеющей стали" Ш Всесоюзное совещание по низкотемпер.теплофиз. измерениям и их метр, обеспечение. Москва, 1982, с.4-5.

35. R-oUy^M Я). ЬояЛюю И/. ЯР (Ш^къмльЫ&и.-Ръос.!££,£.

36. J\/-&YM?ko T^cwid WttitQ). F- l^oiatAXUHs ЫлсшЛ a^nauAting tAc e^ui/Mbtentwnccpt. 1.££ Тъсы-и- l/PUcwtAHZ/iM- алъЫ leak.1.. MTT-1&, 0c£o4vl f96£, pp.

37. Воронцов Ю.Г., Исаев B.H., Нечаев Э.В. "Перспективы разработки образцовых средств измерения ослаблений в ближайшие годы У Всесоюзная научн.техн. конф. "Метрология в радиоэлектронике" : Тезисы докладов М., 1961, с.270-271.

38. Резчиков А.А., Пучков Е.В.; Кочерга В.Г. Калибровка поляризац ционных аттенюаторов без мер ослабления Радиоизмерения: Материалы научного заседания, посвященного 25-летию Каунасского НИИРИТа,Каунас-Вильнюс, 1983, т.2, с.62-65.

39. Измерение малых ослаблений на СВЧ. Серия: Электроника СВЧ. Карамзина В.В., Сидорова З.Ф., Вып. № 1(40), январь 1973.

40. Эталоны. Способы выражения погрешностей. ГОСТ 8.381-60 (СТ СЭВ 403-76).

41. Альтман Д. Устройства сверхвысоких частот. М., Мир, 1968, с.102-106.

42. Алфеев В.Н. Радиотехника низких температур. М., Сов.радио, 1966, с.343-364.

43. Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Р.Г.Варламова, М., Сов.радио, 1973, с.810-825.