RU2039363C1

RU2039363C1 - Способ определения шумовых характеристик n-полюсника и устройство для определения шумовых характеристик n-полюсника

Info

Publication number: RU2039363C1
Application number: RU93018057A
Authority: RU
Inventors: Александр Тимурович Тагаевский
Original assignee: Александр Тимурович Тагаевский
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1995-07-09

Abstract

Применение: изобретения позволяют измерять собственные шумы, генерируемые любыми n-полюсниками, без необходимости их включения и согласования с электрической схемой, например усилителя. Сущность изобретения: способ заключается в том, что помещают n-полюсник внутрь поглощающей электромагнитное излучение среды и измеряют его электромагнитное излучение до и после подачи на n-полюсник по крайней мере одного электрического сигнала. Сущность изобретения: устройство содержит измерительную камеру 1, которая состоит из нижней и верхней частей 2 и 3, измеряемый n-полюсник 4, контактное приспособление 7 с контактами 8, полосковые шины 9, провода 10, блок 11 питания и антенну-индикатор 12. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. 1табл.

Description

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно к измерению уровня собственного шума, создаваемого n-полюсником, что, в частности, необходимо для его аттестации по уровню создаваемого им или вносимого им шума в радиотехнические устройства ВЧ, СВЧ, КВЧ-диапазонов.

Как известно, под общепринятым в радиотехнике термином n-полюсник понимается элемент радиотехнической схемы, имеющий n функциональных клемм, которые могут служить как входом, так и выходом для этого элемента. Существует много разновидностей n-полюсников. Основными разновидностями n-полюсников являются двух- и четырехполюсники. Все остальные разновидности n-полюсников легко сводятся к этим двум. По конструкции n-полюсники подразделяются на так называемые элементарные n-полюсники (диоды, транзисторы, фильтры, трансформаторы, резонаторы и другие) и n-полюсники, представляющие собой их комбинации (функциональные схемы усилительных каскадов или генераторов). Так, например, усилительный каскад состоит из функционального соединения элементарных n-полюсников: согласующих трансформаторов, развязывающих фильтров, транзисторов. Среди элементарных n-полюсников есть пассивные n-полюсники (не усиливающие, но вносящие потери это элементы линий, ВЧ-трансформаторы, резонаторы, фильтры, вентили и много других устройств) и активные усиливающие или преобразующие сигнал это в основном полупроводниковые диоды и транзисторы. И те, и другие создают дополнительный собственный шум, величину которого нужно знать и уметь измерять для разработки методов борьбы с шумом. Отличительной особенностью заявляемого способа и устройства является то, что они позволяют определять шумовые характеристики различных n-полюсников, в том числе элементарных активных n-полюсников.

Собственный шум активных n-полюсников не удавалось определить простыми методами. Для его определения необходимо было включать в измерительную схему, например, усилитель, т.е. комбинацию пассивных и активных n-полюсников, и измерять суммарный шум, создаваемым ими. После этого путем вычитания шума создаваемого пассивными n-полюсниками, определяли собственный шум активного n-полюсника.

Однако на практике необходимо определять собственное значение шумовых характеристик n-полюсника, которые связаны с различными физическими процессами, протекающими внутри них. Для правильного понимания влияния этих процессов на вносимый уровень шума и выбора оптимальных режимов работы разрабатывают эквивалентные схемы n-полюсников. Анализ эквивалентных схем позволил разработать общие методики расчета собственного шума n-полюсников. Из анализа эквивалентных схем известно, что собственный шум n-полюсника (Т_с) характеризуется шумом, вносимым входным контуром n-полюсника (Т11), коэффициентом передачи (К(f) > 1 усилением) и шумом, вносимым выходным контуром (Т22).

Собственный уровень шума, действующий на выходе и вносимый n-полюсником в последующие каскады, равен
Т_свых Т11 х К(f) + T22 (1)
Для аттестации шумовых параметров усиливающих n-полюсников принято собственный шум, действующий на выходе, пересчитывать к входу n-полюсника, который определяется по формуле
T_с _вх= T11 +

. (2)
Для подтверждения правильного теоретического расчета эквивалентных схем n-полюсника необходимо точно измерить собственный шум, создаваемый n-полюсником на его входе Т11 и выходе Т22 отдельно.

Однако, как отмечалось ранее, все известные способы и устройства основываются на косвенном измерении собственного шума n-полюсника, включенного в высокочастотную электрическую схему, состоящую из нескольких элементарных n-полюсников со своими вносимыми шумами, разделить которые на самостоятельные составляющие не представляется возможным.

Изобретение относится к новому классу, свободному от недостатков, присущих известным способам и устройствам для измерения собственного шума n-полюсников. Для ясности понимания заявленных технических решений их описание дано на примере наиболее распространенного четырехполюсника -полевого транзистора, используемого, в частности, для усиления или генерации сигналов СВЧ и КВЧ диапазонов. Здесь следует заметить, что заявляемые способ и устройство позволяют в силу своей универсальности измерять шумовые параметры не только готового полевого транзистора, но и в процессе технологического изготовления, когда еще не установлен управляющий электрод-затвор, являющийся элементом целого транзистора, при этом появилась возможность предварительно оценить шум, создаваемый отдельно выходным контуром Т22, от которого в сильной степени зависят шумовые параметры транзистора, а затем входным и выходным контуром вместе. Из этих измерений, используя уравнения (1) и (2), можно определить Т11. По величинам Т11 и Т22 можно судить о качестве транзистора в целом.

В связи с тем, что в разделе радиотехники, относящемуся к измерению шумов, соответствует большое количество специфических характеристик уровня шума, заявители считают необходимым перед описанием сущности заявляемых технических решений обратить внимание на конкретно используемые в данной заявке известные радиотехнические характеристики измеряемого уровня шума.

В общем случае шум, как физическое явление, является хаотическим движением электрических зарядов и характеризуется известными электрическими параметрами: мощностью шума Р_ш [Bт] напряжением шумам U_ш[B] шумовым током I_ш [A]
С другой стороны, шум также можно рассматривать как случайный колебательный процесс, являющийся паразитным сигналом n(t), уменьшающим количество переносимой полезным сигналом s(t) информации на величину Log s(t)/n(t), где s(t)/n(t) отношение сигнал/шум является параметром, характеризующим паразитное влияние шума. Чем больше это отношение, тем больше информации получает корреспондент и наоборот. Поэтому точное измерение уровня n(t) является главной задачей разработчиков всех видов радиотехнической аппаратуры.

Если случайный электрический колебательный процесс (шум) разложить в ряд Фурье, то его можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний с различными амплитудами. В этом случае говорят о спектральном представлении шума. Спектр частот шумового процесса имеет интервал от постоянной составляющей f= 0 (частота составляющей равна нулю) до f ->>∞ (частота составляющих стремится к бесконечности).

В спектральной области шум характеризуется спектральной плотностью мощности р(f) мощность составляющей на час- тоте f, обычно оцениваемая в полосе 1 Гц.

Шум с непрерывной плотностью мощности с одинаковой интенсивностью во всем спектре частот носит название "белый шум". Полная мощность такого шума может быть определена по формуле
P

=

p(f)df. (3)
Если на входе нешумящего n-полюсника действует "белый шум" с интенсивностью р(f)_вх, то полная выходная мощность шума равна
Р_ш _вых р (f)_вх х К (f ) x Δ F_ш, (4) где К(f) коэффициент передачи n-полюсника;
Δ F_ш шумовая полоса пропускания n-полюсника.

В измерительной технике принято мощность шума характеризовать эквивалентной температурой шума (Т_ш) измеряемой в единицах абсолютной шкалы Кельвина [K] В этом случае полная мощность шума определяется уравнением Найквиста
Р_ш[Вт] k x T_ш х Δ F_ш, (5) где k=1,38 х 10 [Дж х К] постоянная Больциана;
Т_ш эквивалентная температура измеренного уровня шума [K]
Δ F_ш полоса спектра исследуемого шума [Гц]
Эквивалентная температура шума это интенсивность "белого шума", создаваемого согласованным с измерителем мощности шума резистором, нагретым до физической температуры (Т_ф).

Таким образом, любой резистор, согласованный с измерителем, создает мощность шума на входе измерителя пропорционально его физической температуре, например, резистор, нагретый до комнатной температуры, называемой стандартной и равной Т_о=293 [K] генерирует мощность шума в полосе F=1 Гц, равную
р(f) 1,38x10x293 [K] 0,4x10 [Вт/Гц] (6)
Поэтому все измерительные приборы, имеющие фиксированные полосы анализируемого шума, могут быть отградуированы в единицах абсолютной шкалы Кельвина [K] Все расчеты могут быть проведены в градусах Кельвина. В дальнейшем описании заявленных изобретений все пояснения и расчеты будут проводиться в градусах Кельвина. Для перевода полученных результатов из градусов Кельвина в ватты необходимо воспользоваться приведенным выше уравнением Найквиста с учетом реальной физической температуры, при которой проводились измерения и шумовой полосы измерительного устройства.

Заканчивая на этом предварительные пояснения заявитель обращает внимание на то, что они были сделаны для более ясного пояснения описываемой сущности заявленных технических решений.

Как показал проведенный заявителем анализ уровня техники, на момент составления и подачи заявки наиболее близким аналогом заявляемому способу является способ определения шумовых характеристик n-полюсника путем подачи на него электрических сигналов [1] Данный способ принят в качестве прототипа. Он основан на последовательном сквозном пропускании через n-полюсник калиброванных электрических сигналов с последующим замером изменения этих сигналов на выходе.

Устройство, которое реализует этот известный способ определения шумовых характеристик n-полюсников, принято в качестве прототипа заявленного устройства [1]
Оно включает блок питания, калиброванный в градусах Кельвина генератор шума, контактное приспособление для подключения n-полюсника и измерительный приемник с индикатором. Контактное приспособление включено в электрическую схему усилителя с согласующими трансформаторами на входе и выходе. Измерение шумовых характеристик осуществляют следующим образом: подключают аттестуемый n-полюсник к электрической схеме усилителя с помощью контактного приспособления; подают питание, соответствующее оптимальной рабочей точке по постоянному току; согласовывают n-полюсник со схемой усилителя с помощью трансформатора на входе и выходе; измеряют совокупный уровень шума усилительного каскада с аттестуемым n-полюсником путем подачи на вход схемы по крайней мере двух значений электрических сигналов (калиброванных уровней шума) от генератора шума (метод двух отсчетов); по результатам измерения и последующего расчета определяют собственный шум n-полюсника с учетом достигнутого усиления и шумовой полосы усилителя.

Как видно из приведенного описания для измерения шумовых характеристик n-полюсника необходимо подать на вход по крайней мере два разных уровня шума от калиброванного генератора шума, сняв после каждой подачи показания индикатора уровня шума, отградуированного в относительных единицах. После этого с помощью математического расчета определяют сначала шумовые характеристики всего усилительного каскада, а затем, вычитая вносимые шумы согласующими цепями, определяют собственный шум n-полюсника.

Из сущности этого способа и устройства вытекают все их недостатки, обуславливающие низкую точность определения собственных шумовых характеристик n-полюсника, которые заключаются в следующем: измеряется суммарный уровень шума усилительного каскада, а не аттестуемого n-полюсника; на точность определения суммарного уровня усилителя влияет точность установления двух калиброванных уровней электрических сигналов, полученных от генератора шума, качество согласования n-полюсника со схемой усилителя, характеризуемое достигнутым усилением и шумовой полосой усилителя в целом; при расчете на точность оценки собственного шума, вносимого аттестуемым n-полюсником, влияет также точность измерения потерь, вносимых согласующими трансфор- маторами.

Перечисленные недостатки не позволяет однозначно определить собственный шум n-полюсника.

Кроме того, теоретический анализ усилительных схем требует неоднозначного решения при настройке согласующих трансформаторов. Это выражается в том, что, как известно, при настройке усилительного каскада на получение минимума шума достигается усиление каскада несколько меньше максимально возможного, а при настройке по максимуму усиления получается несколько большим достигнутый уровень шума. Поэтому, например, в паспорте на транзистор указываются: минимальное значение полученного уровня шума Т_ш _мин и полученное при этом усиление К(f) на частоте f; полученное максимально возможное усиление К(f)_макс и полученный при этом уровень шума Т_ш на частоте f.

Однако при этом остается неизвестным в какой схеме усилителя с какой шумовой полосой пропускания были проведены измерения, что делает невозможным точный расчет схемы аппаратуры, использующей этот n-полюсник. Данное обстоятельство значительно осложняет процесс проектирования высокочастотных схем усилителей, которые требуют последующей кропотливой настройки и регулировки, что значительно удорожает аппаратуру.

Развитие микроэлектроники привело к тому, что активные n-полюсники выполняются по интегральной технологии и их размеры значительно меньше элементов схемы, в которую они включаются. Потери на согласование еще больше возрастают, а разброс параметров n-полюсников почти полностью исключает возможность предварительного проектирования аппаратуры.

Основной целью изобретений является разработка универсального способа и устройства, позволяющих однозначно определять собственный шум n-полюсников. Одновременно решаются задачи расширения диапазонности использования способа и устройства, получение возможности проводить измерения в процессе технологического изготовления n-полюсников, упрощение конструкции измерительного устройства, обеспечение возможности автоматизации измерений с помощью ЭВМ и, как следствие, решения этих задач, значительное снижение стоимости как самой установки для проведения измерений, так и создаваемой с ее помощью радиотехнической аппаратуры.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения шумовых характеристик n-полюсника путем подачи на него электрических сигналов, согласно изобретению помещают n-полюсник внутрь поглощающей электромагнитное излучение среды и измеряют собственный уровень его электромагнитного излучения до и после подачи на него по крайней мере одного электрического сигнала, а шумовые характеристики n-полюсника определяют прямым отсчетом с экрана индикатора. Различные варианты оценки собственного шума n-полюсника получают простым пересчетом по известным формулам, приведенным ранее.

Принципиальное отличие заявленного способа от известного заключается в том, что, если в известном способе после подачи электрических сигналов на измеряемый n-полюсник измеряют изменение электрических характеристик на выходе, то в заявленном способе измеряют собственное электромагнитное излучение n-полюсника, помещенного внутрь поглощающей электромагнитное излучение среды (например, замкнутой камеры со стенками, выполненными из диэлектрика, хорошо поглощающего электромагнитное излучение компаунда ВКФ-1 [2]), обеспечивающей эффективное согласование n-полюсника с устройством. В результате этого отпадает необходимость в введении в устройство согласующих трансформаторов и исключаются вносимые ими потери, зависящие от качества их настройки, уменьшается погрешность измерений при уменьшении и упрощении измерительных операций, исключается влияние оператора на измерение шумовых характеристик n-полюсника. Точность определения собственного шума n-полюсника в основном будет зависеть от точности измерения физической температуры поглотителя, из которого изготовлена камера, и самого измеряемого n-полюсника. Точное измерение физической температуры на данном уровне развития техники не представляет серьезных проблем.

Конкретный алгоритм измерений зависит от поставленной задачи измерения той или иной шумовой характеристики. Существует значительное количество методик измерения и последующих расчетов искомых величин. Методики измерений отличаются друг от друга по применяемой последовательности подачи калиброванных сигналов, их количества, значения величины и формы. Они широко известны и описаны в прототипе [1] или в [3]
Конкретные методики проведения измерений на основе заявляемого способа могут быть выбраны самим пользователем в зависимости, например, от имеющейся в наличии аппаратуры. Поэтому заявитель в формуле изобретения на способ ограничивается указанием на наличие выявленных им взаимосвязей физических величин, приведя в описании одну из наиболее простых конкретных методик. Введение в формулу изобретения при характеристике сущности заявленного способа конкретных последовательностей подачи входных сигналов, их величин и формы, по мнению заявителя, ограничило бы объем притязаний частными случаями, в то время как способ может быть использован при иной выбранной методике.

Таким образом, по сравнению с прототипом отличия в действиях над материальными объектами у заявленного способа сводятся к отмеченным в формуле изобретения изменениям в совокупности первичных измерительных операций в соответствии с новой выявленной взаимосвязью первично измеряемых величин с искомой.

Поставленная цель достигается также тем, что устройство для определения шумовых характеристик n-полюсника, включающее блок питания, контактное приспособление для подключения n-полюсника и измерительный приемник с индикатором, согласно изобретению дополнительно оснащено камерой из поглощающего электромагнитное излучение материала, внутри которой размещены контактное приспособление для подключения n-полюсника и обращенная в их сторону антенна-индикатор электромагнитных излучений, соединенная с измерительным приемником.

Именно дополнительное оснащение устройства камерой со стенками из диэлектрического материала, поглощающего электромагнитное излучение, размещенного внутри камеры контактного устройства для подключения n-полюсника и обращенной в их сторону антенны-индикатора электромагнитных излучений, соединенной с измерительными приборами, обеспечивают измерение предусмотренных способом шумовых характеристик n-полюсника.

Следует отметить, что описанное устройство, реализующее заявленный способ, является одним из возможных вариантов его выполнения. В частности, вместо камеры может быть использован сосуд, внутри которого расположена антенна-индикатор с контактным приспособлением для подключения n-полюсника и составляющих единое целое конструктивное решение, а сосуд заполняется специальной поглощающей электромагнитное излучение жидкостью, которая заполняет все пространство сосуда кроме одной из сторон n-полюсника, обращенной к антенне-индикатору.

Для градуировки измерительного приемника антенна-индикатор оснащена, установленным с возможностью соединения с генератором шума, зондом для подачи на вход измерительного приемника калиброванного уровня шума от генератора шума.

Дополнительно для проведения измерения коэффициента передачи n-полюсника один из его входных контактов может быть оснащен направленным ответвителем для подведения калиброванного уровня шума от генератора шума на вход измеряемого n-полюсника. С целью повышения удобства проведения измерений при калибровке и измерении коэффициента передачи генератор шума снабжен калиброванным аттенюатором и переключателем режима работы.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, вертикальное сечение; на фиг. 2 экспериментально снятая диаграмма измеренных уровней шума в ходе калибровки приемника и его измерительного прибора, измерения собственного шума n-полюсника и измерения коэффициента передачи n-полюсника.

Предлагаемое устройство включает измерительную камеру 1, которая выполнена из хорошо поглощающего электромагнитное излучение диэлектрика и состоит из нижней, неподвижно закрепленной, части 2 и верхней съемной части 3. На фиг. 1 она показана схематично в поднятом состоянии, при этом не показан механизм подъема и перемещения, не имеющие принципиального значения. Внутренняя полость камеры 1 должна соответствовать размерам измеряемого n-полюсника 4. В качестве n-полюсника 4 на фиг. 1 показан чип кристалл 5 полупроводникового материала с изготовленным на его поверхности полевым транзистором с выводными клеммами 6 питания. В верхней части 3 измерительной камеры 1 смонтировано контактное приспособление 7, имеющее контакты 8. Контакты 8 закреплены на выступающих из стенок камеры консолях, являющихся продолжением металлических полосковых шин 9, проходящих через поглощающий материал, из которого сконструирована камера 1. Подводящие концы шин 9 с помощью электрических приводов 10 соединяются с соответствующими клеммами блока 11 питания. Блок питания может иметь характериограф для снятия вольт-амперных характеристик n-полюсника (ВАХ) в автоматическом режиме с управлением от ЭВМ.

При опускании верхней части 3 контакты 8 контактного приспособления 7 касаются соответствующих клемм 6 питания полевого транзистора, таким образом включая его в электрическую схему питания. В нижней части 2 измерительной камеры 1 закреплена антенна-индикатор 12. обращенная в сторону измеряемого n-полюсника 4, который расположен в апертуре антенны-индикатора 12. Антенна-индикатор 12 представляет из себя отрезок волновода, открытый с одного конца и закороченный на противоположном, жестко закрепленный в нижней части 2 камеры 1 открытым концом внутрь полости камеры. Внутренняя полость волновода может быть заполнена диэлектриком 13, хорошо проводящим электромагнитное излучение, например ТЛ/750 [4] В боковые стенки волновода вмонтированы коаксиальные зонды, один из которых является измерительным зондом 14, а другой калибровочным зондом 15. Измерительный зонд 14 с помощью коаксиального кабеля 16 соединен с измерительным приемником 17, на выходе которого имеется измерительный прибор 18. Чаще всего в качестве измерительного приемника используется широко известный компенсационный радиометр [5] имеющий обычно компенсационный аттенюатор 19. В качестве измерительного прибора на выходе измерительного приемника может быть использован самописец или ЭВМ с устройством согласования аналогового выхода приемника с цифровым входом ЭВМ (АЦП-аналого-цифровой преобразователь), являющимся составной частью машины. Измерительный прибор 18, например самописец, должен быть отградуирован в градусах Кельвина по оси ординат.

Калибровочный зонд 15, предназначенный для проведения операции калибровки шкалы измерительного прибора 18 с помощью коаксиального кабеля 20 соединен с разъемом 21 коаксиального переключателя 22, связанного через аттенюатор 23 с генератором 24 шума. Другой разъем 25 переключателя 22 соединен с помощью коаксиального кабеля 26 с дополнительной полосковой шиной, расположенной над одной (входной) шиной 9 и образующей направленный ответвитель 27, с помощью которого на вход полевого транзистора можно подавать калиброванный уровень шума от генератора 24 шума для определения, например, коэффициента усиления полевого транзистора. Направленный ответвитель 27 выполнен в виде отрезка полосковой линии, расположенной параллельно входной шины 9, в непосредственной близости к ней без электрического контакта. За счет емкостной связи между этими полосковыми шинами сигнал от генератора шума наводится на вход полевого транзистора. Аттенюатор 23 в общем случае должен иметь шкалу вносимых им ослаблений либо быть прокалиброванным в градусах абсолютной шкалы Кельвина.

Таким образом, калиброванный уровень шума от генератора 24 шума может быть подан через аттенюатор 23 либо на калибровочный зонд 15, то есть на вход измерительного приемника 17, либо на направленный ответвитель 27 на вход целевого транзистора.

В качестве эталонного генератора 24 шума в заявляемом устройстве могут применяться в частности: полупроводниковые шумовые генераторы; тепловые согласо- ванные нагрузки с контролируемой физической температурой; криогенные генераторы шума; газоразрядные шумовые генераторы.

Генераторы шума характеризуются величиной создаваемого ими уровня стабильного шума (Т_гш) в гарантированной полосе частот (Δ f).

Каждый генератор снабжается графиком зависимости уровня шума от частоты. Все генераторы шума калибруются в градусах Кельвина. Для удобства использования генераторы шума снабжаются прецизионными аттенюаторами, позволяющими с высокой точностью регулировать выходной уровень шума.

Такова конструкция наиболее простого устройства для реализации заявленного способа.

Практическое определение шумовых характеристик n-полюсника при помощи заявленного устройства осуществляется в несколько этапов.

Результаты измерительных операций этапов проиллюстрированы на экспериментально снятой диаграмме измеренных в ходе этих этапов уровней шума, изображенной на фиг. 2.

Первый этап заключается в проведении операции калибровки шкалы измерительного прибора 18. Для его осуществления при закрытой камере 1 с выравненной внутренней температурой с температурой окружающей среды (Т_о=293 [K]) производят следующие операции: включают питание измерительного приемника для прогрева; фиксируют равновесное значение излучения (Т_р Т_о + Т_пр, где Т_пр входная температура шума измерительного приемника 17) внутри закрытой камеры 1 по показаниям измерительного прибора 18 (фиг. 2, а); при закрытой измерительной камере 1 производят операцию по компенсации равновесного излучения, для чего с помощью компенсационного аттенюатора 19 уменьшают значение равновесного уровня шума Т_р (фиг. 2, поз.а) на выходном индикаторе 18 до минимально возможного значения (фиг. 2, б); включают калиброванный генератор 24 шума; переключатель 22 ставят в разъем 21; устанавливают максимальное ослабление (минимальное значение уровня шума), подаваемого на зонд 15 по шкале аттенюатора 23; фиксируют заданное значение уровня шума на шкале выходного измерительного прибора 18 (фиг. 2, в) в данном примере это самое нижнее значение Т=1000 К; изменяя дискретно, через желаемые промежутки, уровни подаваемого шума, прокалибровывают всю шкалу выходного измерительного прибора 18 (фиг. 2, в) в данном примере через равные промежутки Т=1000 К.

В результате выполнения всех перечисленных операций получают измерительный прибор 18 с прокалиброванной шкалой в градусах абсолютной шкалы Кельвина. На этом первый этап заканчивается.

Аналогично можно скомпенсировать равновесное излучение (Т_р) и откалибровать измерительный прибор 18 с n-полюсником 4, помещенным внутрь измерительной камеры 1.

Используя набор различных генераторов, можно с высокой точностью прокалибровать измерительный прибор 18 в широком диапазоне температур в заданном диапазоне частот. В случае использования в качестве выходного измерительного прибора 18 ЭВМ можно операции компенсации и калибровки проводить автоматически перед каждым последующим измерением. Причем ЭВМ позволяет эти операции производить не аппаратурным способом, а с помощью программных вычислений по одному значению (точке) уровня поданного от генератора шума, например, максимальному по ординате Y экрана измерительного прибоpа 18 по линейному или логарифмическому закону.

После того, как откалибровали шкалу измерительного прибора 18, приступают ко второму этапу измерений, который заключается в измерении собственного шума n-полюсника (в нашем примере полевого транзистора).

Методика проведения измерений собственного шума n-полюсника в данном случае собственного шума полевого транзистора, заключается в следующем: снимают верхнюю часть 3 измерительной камеры 1 вместе с контактным приспособлением 7г: в плоскости апертуры антенны индикатора 12 на диэлектрик 13 устанавливают чип полевого транзистора 4 клеммами питания 6 вверх; совмещают контактное приспособление 7 с клеммами 6 полевого транзистора 4 путем опускания верхней части 3 измерительной камеры 1 до совмещения с нижней частью 2; проводят повторно операцию компенсации, так как при появлении внутри измерительной камеры 1 тела полевого транзистора 4 может нарушиться ранее достигнутое равновесие (фиг. 2. г. д); включают питание полевого транзистора и устанавливают рабочую точку, соответствующую паспортному значению; на выходном измерительном приборе 18 фиксируют значение собственного уровня шума n-полюсника (полевого транзистора) Т1 (фиг. 2, е).

Это значение собственного шума полевого транзистора действует на выходе полевого транзистора. Его значение можно рассчитать по формуле
Т1 (Т_о + Т11) К (f) + Т22, (8) где Т_о уровень шума, создаваемый стенками камеры 1, находящейся при окружающей физической температуре равной 293 К и являющейся согласованной нагрузкой для полевого транзистора. Излучение согласованной нагрузки, будучи усиленным, добавляется к собственному шуму, создаваемому полевым транзистором на выходе, поэтому уравнение (8) можно переписать в виде:
Т1 Т_о х К (f) + T11 x K(f) + T22 или (9)
с учетом уравнения (1)
Т1 Т_о х К(f) + T_с _вых. (10)
Для того, чтобы по формуле (10) определить значение собственного шума, создаваемого на выходе полевого транзистора, или пересчитать это значение к входу полевого транзистора необходимо знать коэффициент усиления К(f) полевого транзистора.

Поэтому третьим этапом измерений является измерение коэффициента усиления n-полюсника (в нашем примере полевого транзистора), если он не измерялся ранее другими методами и достаточно точно известно его значение, например, из паспорта на данный экземпляр.

С помощью заявленного устройства измерение коэффициента усиления осуществляется следующим образом: на вход полевого транзистора 4 через направленный ответвитель 27 подают известный калиброванный уровень шума (Т_гш) от генератора шума 24 через аттенюатор 23 и переключатель 22 в положении разъема 25; на выходном измерительном приборе 18 фиксируют значение Т2 (фиг. 2, ж).

Значение уровня шума Т2 n-полюсника (полевого транзистора) после подачи на его вход определенного уровня шума (Т_гж) от генератора шума (в нашем эксперименте Т_гш=100 К) можно рассчитать по формуле аналогично как это сделано в уравнениях (8), (9):
Т2 (Т_гш + Т_о + Т11) х К(f) + Т22 или (11)
с учетом уравнения (9)
Т2 Т_гш х К(f) + Т1 (12)
Решая уравнение (12) относительно значения коэффициента усиления К(f) полевого транзистора определяют его по формуле
K(f)

. (13)
Значение собственного шума полевого транзистора, вносимое в последующие каскады Т_с _вых и пересчитанное к входу Т_с _вх, оп- ределяется по формулам (1), (2), где все параметры известны
Т_с _вых Т1 Т_о х К(f) (14)
T_с _вх

T_o. (15)
Пример численных произведенных экспериментально измерений и расчетов по приведенной методике показан в таблице.

Из приведенной методики измерений и расчетов следует, что поставленная цель изобретения реализована полностью разработан универсальный способ и устройство, позволяющие измерять собственный шум n-полюсника. Приведенный пример измерения наиболее сложного n-полюсника полевого транзистора, выполненного в бескорпусном варианте в виде чипа, проиллюстрировал простоту проведения измерений. Это позволило повысить достоверность и точность измерений.

Существенным фактором в заявленном способе и устройстве является то, что согласование n-полюсника с измерительным прибором осуществляется автоматически и всегда одинаково в широком диапазоне частот от ВЧ до КВЧ. Все генерируемое n-полюсником электромагнитное шумовое излучение поглощается стенками измерительной камеры, обеспечивая тем самым эффективное согласование по входу и выходу.

Другой характерной чертой заявленного способа является метод подключения измерительного приемника с помощью антенны-индикатора к измеряемому n-полюснику. Суть нового метода заключается в том, что любой n-полюсник излучает шум в окружающее его пространство, но если его расположить так, чтобы это шумовое излучение попало в апертуру антенны-индикатора, то оно может быть измерено приемником. Важно антенну-индикатор и измеряемый n-полюсник располагать так, чтобы шумовая волна от внутренних источников шума была направлена в сторону антенны-индикатора.

Естественно, корпус n-полюсника, если он есть, должен быть проницаем для электромагнитных излучений, например, был бы выполнен на керамической основе, как это часто реализуется на практике. Для аттестации полупроводниковых n-полюсников, используемых в бескорпусном варианте, для которых в сущности и был разработан новый способ, никаких ограничений для успешного измерения шумовых характеристик вообще не существует. Более того, измерения можно проводить непосредственно на материнской полупроводниковой пластине в процессе их изготовления, контролируя пооперационно влияние того или иного технологического параметра на уровень излучаемого шума. Отбраковка негодных пластин на промежуточной стадии экономит время и средства, позволяя своевременно регулировать технологический процесс для снижения брака.

Одним из важных следствий, полученных от применения заявленного способа, является то, что результаты измерения шума n-полюсника не зависят от оператора и качества выполняемых им операций по согласованию. Точность, полученная от применения заявленного способа, связана с прямым радиометрическим измерением собственного уровня шума n-полюсника и зависит от точности калибровки шкал измерительного приемника. В случае применения ЭВМ и разработанных специально для этого способа программ можно автоматизировать процесс калибровки, доведя за счет этого точность измерений до предела чувствительности компенсационного радиометра, выражающегося реально достижимым значением 0,1 К.

В практике измерения статистических характеристик шума известен параметр достоверность измерений, который характеризуется среднестатиcтической ошибкой, накопленной в процессе большого количества циклов измерений. По аналогии с этим параметром у аппаратуры, предназначенной для измерения характеристик шума, существует свой параметр достоверности измерений, по которому судят о качестве измерительной аппаратуры. Достоверность результатов измерений прямо зависит от величины ошибок, вносимых в процесс измерения каждым блоком, участвующим в нем. Чем точнее каждый блок выполняет свою функцию и чем их меньше, тем достовернее результат измерений. Исключив из процесса измерения операции, связанные с согласованием n-полюсника с измерительной аппаратурой, и влияние оператора, тем самым удалось повысить достоверность результатов. В заявленном способе и устройстве минимизировано количество операций, а следовательно, и количество ошибок, вносимых в результат измерений. В основном остались операции, связанные с калибровкой генератора шума и калибровкой по этому значению измерительного индикатора. В результате отпадает необходимость в использовании дорогостоящего оборудования. Простота конструкции устройства позволила автоматизировать процесс измерений. С помощью автоматической перестройки измерительного приемного устройства по диапазону можно, одновременно, снимать шумовые характеристики n-полюсника в широкой полосе заданных частот.

Данные изобретения расширили возможности шумовых исследований n-полюсников и имеют большие перспективы в разработке на их основе новых автоматизированных комплексов по аттестации аппаратуры.

Claims

1. Способ определения шумовых характеристик n-полюсника путем подачи на него электрических сигналов с определением по результатам измерений шумовых характеристик n-полюсника, отличающийся тем, что помещают n-полюсник внутрь поглощающей электромагнитное излучение среды и измеряют его электромагнитное излучение до и после подачи на n-полюсник по крайней мере одного электрического сигнала.

2.Устройство для определения шумовых характеристик n-полюсника, содержащее блок питания, генератор шума, контактное приспособление для подключения n-полюсника и измерительный приемник с индикатором, отличающееся тем, что устройство дополнительно оснащено камерой из поглощающего электромагнитное излучение материала, внутри которой размещены контактное приспособление для подключения n-полюсника и обращенная в их сторону антенна - индикатор электромагнитных излучений, соединенная с измерительным приемником.