Исследование комбінаційних перешкод в аналізаторі спектра міліметрового діапазону довжин волн

1.

Введение

.

2.Теоретический аналіз комбінаційних перешкод ,.

обумовлених побічними коливаннями гетеродина.

в КВЧ смесителе аналізатора спектра.

2.1Метод апроксимації вольт амперной.

характеристики діода експоненційною функцией.

2.2Метод апроксимації вольт амперной характеристики діода статечним рядом.

3. Розрахунок і експериментальне вимір относи.

тільних рівнів комбінаційних перешкод.

3.1 Дослідження рівнів побічних коливань в сигналі гетеродина.

3.2 Розрахунок як дослідження рівнів комбина.

ционных перешкод в смесителях.

3.3 Вимірювання відносних рівнів комбінаційних перешкод в аналізаторі спектра.

4.

Заключение

.

5.

Список литературы

.

6. Техніка безопасности.

1.

Введение

.

У радіотехніці, електроніці, техніці зв’язку й інших галузях промисловості аналіз форми електричних сигналів дозволяє їм отримати інформацію якість радиоустройств, ліній зв’язку, технологічних процесів тощо. Складна періодична функція часу повністю описується амплітудами і фазами її спектральних складових. Найчастіше достатньо лиш мати інформацію про амплітудою й частоти складових спектра сигналу, себто амплитудном спектрі. Завантаженість освоєних ВЧ і НВЧ діапазонів, потреба использованиярадиоэлектронныхсредств (РЕМ) длярешенияширокого кола нових завдань викликали необхідність подальшого розширення частотного діапазону до області мм довжин хвиль. У цьому важливого значення мають питання дослідження неосновних коливань в ВЧ трактах й радіо випромінювань різних РЕМ, і навіть контролю над раціональним використанням.

РЕМ, виключає взаємні радиопомехи.

З метою контролю неосновних радіо випромінювань і коливань побічних випромінювань радіопередавальних пристроїв, загружающие загальний частотний діапазон, і навіть встановлення джерела перешкод та його характеру використовуються панорамні нерідні устрою вимірювальні панорамні приёмники і аналізатори спектра послідовного дії (АС ПД).

При конструюванні аналізаторів спектра з допомогою різних заходів передбачається максимально можливе ослаблення комбінаційних перешкод в гарантируемой смузі огляду, проте усунути їх повністю неможливо. Вільний від комбінаційних складових інтервал амплітудної характеристики аналізатора по входу, обмежений знизу рівнем комбінаційних сигналів, а згори максимальнодопустимым рівнем вимірюваного сигналу, що надходить насмеситель (у якому комбінаційні відгуки незначно перевищують шуми аналізатора), називають динамічним діапазоном по комбинационным помехам.

Динамічний діапазон по комбинационным перешкод в анализаторах спектрамиллиметровогодиапазонаволнв основному визначаються КВЧ перетворювачами вхідних сигналів. Історично на на початкових етапах освоєння мм діапазону довжин хвиль перевагу віддавалася гармониковым перетворювачів частоти і аналізаторах спектра зі своїми використанням, оскільки цей напрям забезпечує найбільш вирішення першочергових вимірювальних завдань із найменшими затратами.

Перевагою гармониковых АС ПД є відносна простота, але вони мають погану чутливість малий динамічний діапазон, вільний від комбінаційних перешкод. Ці дві проблеми знімаються під час використання АС ПД з перетворенням спектра КВЧ сигналів на 1ой гармоніці гетеродина. У цьому можливі такі варіанти побудови преобразователей:

з гетеродином на фіксовану частоту КВЧ діапазону, із гетеродином КВЧдиапазона, формованим шляхом множення сигналу гетеродина НВЧ базового анализатора.

Фіксовані гетеродины застосовують у випадках, коли потрібно виконати спектральний аналіз сигналів у досить небольшомучасткедиапазоначастот (трохи більше 1012 ГГц).

У разі потреби досліджень сигналів у його частотному діапазоні хвилеводу використовуються перестраиваемые гетеродины, що перекривають за частотою цей диапазон.

Формування сигналу такого КВЧ гетеродина здійснюється множенням частоти задає НВЧ генератора. В спектрі сигналу гетеродина на выходеумножителей крім основного, що у преобразователяхколебания, містяться побічні складові, кратныечастоте задає генератора. Исследованиюкомбинационных перешкод в КВЧ преобразователях, виникаючих принемонохроматическом сигналі гетеродина і посвященадипломная работа.

Метою праці з дослідження комбінаційних перешкод в преобразователях частоти, працівників першої гармоніці гетеродина умножителя является:

розрахунок відносних рівнів комбінаційних перешкод, експериментальна перевірка отриманих теоретичних результатов.

2. Теоретичний аналіз комбінаційних перешкод, обумовлених побічними коливаннями гетеродина.

КВЧ в смесителе аналізаторів спектра.

Питання розрахунку відносного ослаблення амплітуд комбінаційних складових (продуктів перетворення) відбито у ряді робіт [ 1 ], [ 4 ], [ 7 ]. Для розрахунку комбінаційних спотворень необхідно математичне завдання вольт амперной характеристики діода, яка то, можливо представлена з допомогою різних методів апроксимації:

рядами Вольтерра;

экспоненциальном поданням;

як статечного ряда.

Перший метод нашій завдання представляється неприйнятним через громіздкість вычислений.

У нашій роботі розрахунок комбінаційних спотворень проводився обох видів апроксимації вольт амперной характеристики змішувальних діодів:

поданням вольт амперной характеристики діода статечним поруч; експонентним поданням вольт амперной характеристики. 2.1 Метод апроксимації В.А.Х. діода експоненційною функцией.

Для розрахунку комбінаційних перешкод, виникаючих не вдома напівпровідникового перетворювача частоти, обумовлених наявністю побічного коливання в сигналі гетеродина, скористаємося методикою, запропонованої у роботі [ 8 ].

У літературі [1 4] характеристику напівпровідникового діода прийнято відображати експонентою вида:

(2.1.1).

гдеток через діод і прикладене щодо нього напряжение;

коефіцієнти аппроксимации.

Нехай на вхід перетворювача надходить напряжение:

(2.1.2).

гдеамплитуды і частоти складових вхідного напруги соответственно.

Підставляючи в вираз (2.1.1) значення напруги (2.1.2), одержимо: (2.1.3).

Величинуможно розкласти до кількох по модифицированнымфункциям Бесселя [ 5 ]: (2.1.4).

З урахуванням розкладання (2.1.4) токравен: (2.1.5).

Після перемножения з формули (2.1.5) можна отримати висловлювання всіх спектральних складових струму не вдома напівпровідникового перетворювача частоти. Комбінаційні складові, які утворюються внаслідок взаємодії всіх компонент спектра вхідного сигналу, мають амплитуды:

(2.1.6) і частоты.

Скористаємося наведеними вище формулами до розрахунку відносного ослаблення комбінаційних помех.

Вважаємо, що у вхід перетворювача надходять напруги: гетеродина.

вимірюваного сигналу, де амплітуда і частота основного коливання гетеродина;

амплітуда і частота побічного коливання в сигналі гетеродина;

амплітуда і частота вхідного сигнала.

Через війну основного перетворення (K1=1, K3=1) на проміжної частотеобразуется складова струму з амплітудою:

(2.1.7).

У процесі взаємодії побічного коливання гетеродина і вхідного сигналу (K2=1, K3=1), на проміжної частотеобразуется складова струму з амплітудою:

(2.1.8).

Розрахуємо відносне ослаблення комбінаційної перешкоди:

(2.1.9).

Для спрощення подальших обчислень будем.

припускати, що. У цьому припущенні вважатимуться[ 8 ]:

(2.1.10).

(2.1.11).

(2.1.12).

Отже остаточна формула до розрахунку відносного ослаблення комбінаційної перешкоди має такий вигляд:

(2.1.13).

2.2 Метод апроксимації ВАХ діода статечним рядом.

Для дослідження продуктів комбінаційних змін у смесителе у разі малої амплітуди гетеродина скористаємося аппроксимацией статечним поруч [1].

Розрахуємо рівень комбінаційних перешкод на цей випадок. Струм, протекающий через діод, запишемо в виде:

(2.2.1).

гдекоэффициенты низки;

вхідний напряжение.

Вхідний напруга, як у пункті 2.1.2, є сумою напруг:

(2.2.2).

гденапряжение і частота основного коливання гетеродина;

напруга й частота побічного коливання гетеродина;

напруга й частота вхідного сигнала.

Для дослідження комбінаційних перешкод в смесителе не вище третього порядку скористаємося аппроксимацией вольт амперной характеристики діода полиномом п’ятого ступеня [1]. Знайдемо вираз для струму діода. При розрахунку врахуємо тільки членів, дають внесок у вихідний струм перетворювача на проміжної частоті. Що стосується коли напруга усунення постійного струму одно нулю, внесок у вихідний сигнал на проміжної частоті дадуть тільки членів полинома з парними ступенями. Тоді після підстановки (2.2.2) в (2.2.1) одержимо :

(2.2.3).

Знайдемо амплітуди відгуків в вихідному сигналі змішувача при перетвореннях на основному і побічному коливаннях гетеродина: (2.2.4)(2.2.5).

Розрахуємо відносний рівень комбінаційних.

перешкод:

(2.2.6).

У припущенні U1 >> U2, U1 >> U3получим:

(2.2.7).

чи:

(2.2.8).

Изразложенияэкспоненциальнойфункциивряд Маклорена слід, що коефіцієнти К2, К4 при членах розкладання з парними ступенями можуть лише положительныезначения. Тоді видно, що безпосереднє відношення.

W2/W1 лежать у межах:

(2.2.9).

или:

(2.2.10).

З отриманих результатів сучетом висловів (2.1.13) і (2.2.10) можуть бути зроблені такі висновки:

при «великий «потужності основного коливання гетеродина комбінаційна перешкода не вдома перетворювача ослаблена більше, ніж побічне коливання в гетеродине;

при «малої «потужності основного коливання гетеродина додаткового ослаблення комбінаційної перешкоди не вдома перетворювача не происходит.

3. Розрахунок і експериментальне вимір відносних рівнів комбінаційних помех.

Основною метою експерименту було визначити динамічного діапазону в АС мм діапазону по комбинационным спотворень з перетворенням на 1ой гармоніці гетеродина з множенням частоты.

3.1 Дослідження рівнів побічних колебаний.

в сигналі гетеродина.

У цьому вся експерименті досліджувалася робота волноводных.

умножителей частоти на 2 і 3 буде в діапазоні.

25,9537.5 ГГц.

1 ставить генератор Г480 (Г481);

2 умножитель на 3 коаксиальный;

3 вимірювач потужності P1;

4 вимірювач потужності P9 (P6);

5 умножитель на 3 (на 2) волноводный;

6 спрямований ответвитель 10 дБ;

7 підсилювач мощности;

8 перемикач 1:2 волноводный;

9 аттенюатор Д336;

10 аттенюатор 10 дБ;

11 вимірювач потужності P3;

12 перестроюваний фильтр;

13 смеситель;

14 фільтр низькою частоты;

15 генератор Г456;

16 аналізатор спектра СК487.

З генератора 1 напруга сигналу надходить на умножитель частоти 2, де відбувається множення частоти задає генератора. Рівень потужності контролюється вимірником потужності 3. З умножителя сигнал надходить на підсилювач потужності 7, посилюється і крізь спрямований ответвитель 6 приходять другий умножитель 5, де відбувається остаточне формування сигналу КВЧ гетеродина. Далі через аттенюатор 9, перемикач 8 цей сигнал через преселектор 12 подається на сигнальний вхід змішувача 13 для анализа.

На гетеродинный вхід змішувача через ФНЧ 14 приходить сигнал з генератора 15. Перетворений сигнал досліджуваного КВЧ гетеродина надходить на аналізатор спектра 16, де відбувається його подальший анализ.

Розрахуємо частоту задає генератора Г480 прийому початковій частоти Fc аналізованого диапазона.

Fзг=(FcFпч)/n,(4.1.1).

де Fпч проміжна частота, Fпч=1 ГГц,.

Fcчастота сигнала,.

nобщий коефіцієнт умножения.

Отже Fзг= (261)/6 = 4,16 ГГц при использова нді умножителя на 2. Наибольший рівень не вдома умножителя на 2 має побічне коливання, получающееся множенням на 3, то есть.

9ая гармоніка задає генератора.

Отже частота побічного коливання Fп = 4,16*9 =36,44 ГГц.

Рівень основний гармоніки Р6=12 мВт, а показання СК487 4 дБм за частоти настройки Г456 27 ГГц. Перестройкой Г456 на часто ту 37,44 ГГц отримуємо відгук на СК487, рівний 26 дБм, що він відповідає рівню побічного коливання Р9=0,08 мВт.

З використанням волноводного умножителя на 3 частота задає генератора встановлюється Fзг= (261)/9 = 2,78 ГГц. Найбільший рівень має побічне коливання, получающееся на 12ой гармоніці задає генератора. Частота цього коливання Fп=Fзг*12 і буде відповідно Fп=34,33 ГГц. Рівень основнойгармоники Р9=2,4мВт, а рівень побічного коливання Р12=0,8 мВт визначено по описаної вище методике.

Рівні потужності основного коливання гетеродина Р6 і Р9 визначаються максимальнодопустимой потужністю на вході хвилевід ного умножителя рівної 100 мВт.

4.2 Розрахунок як дослідження рівнів комбінаційних перешкод смесителя.

Рис. 2 Блок схема установки для досліджень комбинационных.

перешкод смесителя.

1 генератор Г480 (Г481).

2 умножитель на 3.

3 підсилювач мощности.

4 умножитель на 2 (на 3).

5 генератор Г456.

6 ФНЧ.

7 переключатель.

8 аттенюатор

9 смеситель.

10 вимірювач мощности.

11 аналізатор спектра СК487.

З задає генератора 1 надходить сигнал на умножитель частоти 2затем на підсилювач потужності 3, посилюється і робить на умножитель частоти 4, де сигнал переноситься на потрібну нам частоту, саме на частоту 6ой чи 9ой гармоніки (залежно від цього, який в нас умножитель, на 2 чи 3),.

далі сигнал надходить на гетеродинный вхід змішувача 9. Сигнал з генератора 5 через ФНЧ 6, перемикач 7, аттенюатор 8 надходить на сигнальний вхід змішувача. Продукти перетворення с.

виходу змішувача вимірюються аналізатором спектра 11.

Виміри проводилися з наступній методиці. Частота Г480 встановлювалася 4,16 ГГц під час роботи з множенням на 6 основного перетворення і 2,78 ГГц під час роботи з множенням на 9. Рівень сигналу Г456 підтримувався постонным і рівним 30 мкВт. Значення частоти Г456 встановлювалися так само как.

зазначено розділ 4.1. Фіксувалося ослаблення аттенюатора Д336 при перевищенні відгуку аналізатора СК487 від вхідних сигналів над власними шумами на 3 дБ.

Результати досліджень зведені в таблицю, у ній ж наведено відносні рівні побічних коливань гетеродина, вимірюваних у пункті 4.1:

Отже, із досліджень видно, що час використання умножителя на 2 ослаблення комбінаційної перешкоди перевищує відносний уровеньпобочного колебаниягетеродина.

Для оцінки ослаблення можна скористатися вираженням (2.1.13). З використанням умножителя на 3относительный рівень комбінаційної перешкоди не нижчий за рівень побічного коливання гетеро дина. Для оцінки рівня перешкоди у разі можна скористатися вираженням (2.2.8).

З отриманих результатів слід, що коефіцієнт розум ножения задає генератора доцільно вибирати в такий спосіб, щоб використовувати волноводный умножитель на 2.

4.3 Вимірювання відносних рівнів комбінаційних перешкод в аналізаторі спектра.

____________________ |________________ |.

Рис. 3 Структурна схема для перевірки комбінаційних перешкод в АС.

1 генератор Г4156.

2 спрямований ответвитель.

3фильтр полосовой.

4 аттенюатор Д336.

5 частотомер Ч366.

6 вимірювач потужності М353.

7 вентиль волноводный ФВВН116.

8 змішувач волноводный 7,2*3,4 мм.

9 підсилювач малошумящий ЕЭ2.031.242.

10 перетворювач частоти 317/17 МГц.

11 умножитель частоти на 2 ЯНТИ 434.841.067.

12 підсилювач середньої потужності 10,717,7 ГГц.

13 умножитель частоти (26,6)/(226) ГГц.

14 аналізатор спектра С485.

Вимірювання проводилися з допомогою методики, що викладена у розділі 4.2. Як задає генератора застосовувався гетеродин синтезатор приладу С485.

Послаблення комбінаційної перешкоди на 12ой гармоніці задає генератора становить близько 30 дБ.

4.

Заключение

.

Отримані результати теоретичного аналізу відносних рівнів комбінаційних перешкод першого ладу у анализаторах спектра КВЧ з перетворенням на першої гармоніці у разі немонохроматического сигналу використовуваного гетеродина можна буде застосувати до розрахунку схем аналізаторів з умножителями частоти в гетеродинном.

тракте.

Розглянуто два випадку формування гетеродинного сигнала:

з допомогою волноводного умножителя на 3,.

з допомогою волноводного умножителя на 2.

Для першого випадку потужність основного коливання гетеродина недостатня задля забезпечення оптимальних параметрів змішувача. Найбільш близькі до експерименту результати дає метод апроксимації ВАХ діода статечним поруч. Оцінка за такою формулою (2.2.10)совпадает з результатамитаблицы 1.

Для другого випадку краще збіг результатів розрахунку відносних рівнів комбінаційних перешкод дає метод апроксимації ВАХ діода експонентою. Оцінка за такою формулою (2.1.13) рівня комбінаційної перешкоди дає результат на 2 дБ нижче проти относительным.

рівнем побічного коливання для описаної у роботі експерименту не враховуючи неузгодженості на гетеродинном.

вході змішувача. Обмірюваний рівень комбінаційної перешкоди за даними таблиці 1 нижче відносного рівня побічного коливання п’ять дБ.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень відносних рівнів перешкод в АС мм діапазону, обумовлених наявністю побічних коливань в сигналі гетеродина, показують, що динамічний діапазон АС то, можливо забезпечений щонайменше, ніж величина ослаблення побічного коливання лише тоді досить великої рівня потужності основного коливання гетеродина. Для дослідженого змішувача на хвилевід перерізом 7,2×3,4 мм цей рівень ні бути нижчою 10 мВт.

5.

Список литературы

.

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

2. А. М. Щерба «Праці навчальних інститутів зв’язку », серія «Радиоиз мерительная техніка », 1969 г., вып.2.

3. Л. С. Гуткин «Перетворення НВЧ і детекторування », Госэнерго издат, 1953 г.

4. Л. Р. Деречинский «Питання радіоелектроніки », серія «Радиоиз мерительная техніка », 1969 г., вып.2.

5. Е. Янке, Ф. Леш, Ф. Эмде «Специальныефункции », Вид. «Наука », 1968 г.

6. Научнотехнический звіт про НДР «АнализаторММ «(попередній), ННИПИ «Кварц », 1997 г.

7. Б. М. Богданович «Нелинейные спотворення в приемноусилительных пристроях «/M, «Зв'язок », 1980 г.

8. А. А. Залевський «Питання розрахунку проектування панорамних вимірювальних приймачів «/Питання Радіоелектроніки. Вип. 3, серія Р.Т., 1971 г.

3. Техніка безопасности.

Справжня работапроводилась до лабораторій без підвищеної небезпеки. Працюючи дотримувалися такі правила техніки безпеки: все прилади були заземлені; перед включенням перевірялася правильність соединенияприборов, і навіть відсутність на рабочемместе сторонніх предметов;

роботи проводилися під керівництвом наукового керівника і консультанта; по закінченні роботи прилади було відключено від мережі харчування.