Дзісяк А. Б. Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки Мінськ – 220013, Білорусь Тел.: +375-17-239-84-96; E-mail: i.am.abd @ tut.by; http://www. mwmlab.com

Анотація – Представлені результати дослідження джерел невизначеності вимірювання амплітудних флуктуацій сигналу міліметрового діапазону довжин хвиль.

I. Вступ

Інтенсивний розвиток ряду напрямків радіоелектроніки (зв’язок, системи на ефекті Доплера, радіолокація, радіонавігація, радіометрія, спектроскопія, синтез частот, створення нових радіотехнічних матеріалів) ставить нові, більш жорсткі вимоги до якості використовуваних радіочастотних сигналів. Загострилася необхідність у вдосконаленні способів вимірювання флуктуацій амплітуди і частоти (фази) сигналів, особливо в короткохвильовій частині міліметрового діапазону довжин хвиль.

У випробувальної лабораторії апаратури та пристроїв НВЧ Білоруського державного університету інформатики і радіоелектроніки (БП / ІР) розроблений комплексний вимірювач флуктуацій сигналів міліметрового діапазону довжин хвиль [1], розроблені алгоритми та методика калібрування приладу [2].

Як і для будь-якого нового вимірювального приладу, необхідно досліджувати метрологічні характеристики вимірювача флуктуацій, можливі джерела невизначеності вимірювання, ступінь їх впливу на сумарну невизначеність результату вимірювання, щоб виявити шляхи вдосконалення приладу.

II. Основна частина

Для звірення результатів вимірювань один з одним, з довідковими даними, з даними в специфікаціях або стандарти, поряд з методиками оцінки похибок і довірчих меж результату вимірювання, застосовується, стала загальноприйнятою в станах Західної Європи і США, методика оцінки та вираження його невизначеності. Також як Міжнародна система одиниць (СІ), яка стала системою практично універсального використання, дана методика привнесла узгодженість в усі види вимірювань. Єдність в оцінці та вираженні невизначеності вимірювання забезпечує правильне використання результатів вимірювань в науці, техніці і промисловості.

Оцінювання невизначеності при вимірюванні амплітудних флуктуацій СВЧ-сигналу за допомогою розробленого вимірювача флуктуацій вироблялося відповідно до методики, викладеної в [4]. Для визначення дійсного значення відносної спектральної щільності потужності амплітудних флуктуацій досліджуваного СВЧ-сигналу використовується метод вимірювання, заснований на прямому детектуванні СВЧ-сигналу. Про- детектировать сигнал посилюється, перетвориться в цифровий код і надходить на цифровий Фур’є-аналізатор спектру. Проведенню операції вимірювання передують операції калібрування вимірювача необхідні для нормалізації і калібрування всіх характеристик вимірювальної системи.

Математична модель вимірювання значення відносної спектральної щільності потужності амплітудних шумів СВЧ-сигналу має вигляд

де гпдм.к – індекс калібрувальної амплітудної модуляції; U ~, UmдеТ) U ~ k, U =, U = k – змінні і постійні складові вихідної напруги, СВЧ детектора в різних режимах роботи вимірювача флуктуацій; Доф – Коефіцієнт, що характеризує форму детекторної характеристики діода; AF3oo – ефективна смуга пропускання вимірювача флуктуацій; АР, Ат, ДБ, АМВ, Адв – Складові невизначеності вимірювання, обумовлені відповідно неузгодженістю вимірювального тракту, кінцівкою часу вимірювання, неточністю балансування вимірювача флуктуацій, багаточастотних збудженням досліджуваного СВЧ генератора, повільними змінами параметрів блоку обробки сигналу вимірювача флуктуацій за час між сусідніми операціями калібрування.

Оцінку кожної вхідної величини і пов’язану з нею невизначеність і (х,) отримують з розподілу можливих значень вхідної величини. Для оцінки вхідної величини, яка не була отримана в результаті повторних спостережень, пов’язана з нею стандартна невизначеність визначається на базі наукового судження, заснованого на всій доступної інформації про можливу мінливості вхідної величини.

Визначивши коефіцієнти чутливості С (х,) і ступінь кореляції між вхідними величинами, запишемо вираз для сумарної стандартної невизначеності відносної спектральної щільності потужності амплітудних флуктуацій у вигляді

Вираз (2) є законом розповсюдження невизначеностей.

Були проведені обчислення за формулою [2] для наступного конкретного випадку: РВх = Ю мВт,

f = 92.4 ГГц, тдм.к = -70 дБ, Fam.k = 10 кГц, отримуємо сумарну стандартну невизначеність вимірювання uc(SAM(10 кГц)) = 1.24 дБ.

Розширену невизначеність отримують шляхом множення сумарної стандартної невизначеності на коефіцієнт охоплення до:

U = kuc(SAU)                                     (3)

Визначаючи рівень довіри рівним 95%, вибираємо коефіцієнт охоплення к = 2.0 [3]. Отже, розширена невизначеність результату вимірювання U (SAM(10 кГц)) = 1.24 * 2 = 2.5 дБ. Тоді, оцінене дійсне значення SAM(F) можна записати у вигляді SAM(10 кГц) = (-70 +2.5) дБ (к = 2.0; Р = 0.95).

I. Висновок

Аналіз отриманого виразу [2] в числових значеннях невизначеностей виявив, що основний внесок в значення сумарної стандартної невизначеності результату вимірювання відносної спектральної щільності потужності амплітудних шумів СВЧ сигналу вносять: невизначеність визначення коефіцієнта Кф; невизначеність, обумовлена ​​повільними змінами параметрів вимірювача флуктуацій; невизначеність вимірювання змінних складових вихідної напруги детектора та кореляційний зв’язок між ними. Разом ці невизначеності вносять 92% в сумарну невизначеність результату вимірювання.

Аналіз впливу джерел невизначеності на результат вимірювання виявив шляхи підвищення точності вимірювання: визначення коефіцієнта Кф необхідно проводити за допомогою більш точного гетеродинного методу; операції калібрування вимірювача необхідно проводити перед кожною операцією вимірювання; для вимірювання вихідної напруги детектора необхідно використовувати АЦП з великою кількістю розрядів і прецизійний канал обробки аналогового сигналу.

Аналіз показав, що при виконанні даних рекомендацій можна очікувати значення сумарної невизначеності вимірювання не більше +0.8 дБ.

II. Список літератури

[1] Дзісяк. Б., Гусинський А. В., Кострикін А. М., Аляб’єва І. І. Вимірювач амплітудних, частотних і фазових флуктуацій сигналів в 3-х міліметровому діапазоні довжин хвиль, XI MHTK СВЧ техніка і телекомунікаційні технології, Севастополь, 2001, С. 575-578.

[2] Бєльський А. Я., Гусинський А. В., Дзісяк А. Б., Кострикін А. М. Особливості калібрування вимірювачів флуктуацій міліметрового діапазону довжин хвиль,

XII MHTK СВЧ техніка і телекомунікаційні технології, Севастополь, 2002, С. 532-534.

[3] International vocabulary of basic and general terms in metrology. Міжнародний словник основних і загальних термінів у метрології. Женева, Швейцарія 1993.

[4] Точність методів випробувань – Визначення збіжності та відтворюваності зразкового методу випробувань за результатами міжлабораторних звірень.

METROLOGICAL PERFORMANCE ANALYSIS OF MICROWAVE NOISE METER

Dzisiak A. B.

Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics Minsk – 220013, Belarus

Tel.: + 375-17-239-84-96; e-mail: i.am.abd@tut.by http://www.mwml ab. com

Abstract – The results of uncertainty sources analysis of microwave signal amplitude noise measuring are presented.

I.  Introduction

The intensive development of radio electronics determines the new requirements to quality of using microwave signals. It is necessary to perfect methods of amplitude and phase noise measurement of microwave signals. In the verification and testing measuring laboratory of microwave frequency equipment and devices of BSUIR the 3-mm and 8-mm wavelength range microwave noise meters, calibration methods and algorithms are being developed. It is necessary to investigate metrology performances of microwave noise meters, possible measuring uncertainty sources and its influence on total value of uncertainty.

II.  Main part

The estimation of uncertainty of amplitude noise measuring was made according to a procedure explained in [4]. For definition of a relative spectral density value of amplitude noise power the direct detecting method is used. The detected signal is convertered to the numeric code and is processed in Fourier spectral analyzer. The special calibration and normalization operations are used before measuring.

The mathematical model of relative spectral power density of microwave signal amplitude noise measuring looks like [1].

Having defined sensitivity factors C(xj) and correlation degree between input values, we shall note expression for distribution of standard measuring uncertainty as [2].

Evaluations by formula [2] (for the case P|N= 10 mW, f = 92.4 GHz, гпдм.к = -70 dB, FAm.k=10 kHz) give us the value of standard uncertainty uc(SAM(10 kHz))=1.24 dB. Expanded uncertainty therefore U(SAM(10 kHz))=1 .24*2=2.5 dB. Then, the results of calibration signal measuring is SAM(10 kHz)=(-70±2.5) dB (k=2.0; P=0.95).

III.  Conclusion

The analysis of received expression [2] has revealed that the basic contribution to standard measurement uncertainty (92%) brings in the uncertainty of definition of factor Доф; sluggish changes of meter parameters in time; uncertainty of output detector voltage variable components measuring and correlation between its.

To improve microwave noise meter measurement accuracy it is necessary: ​​determine factor Доф using heterodyne method; for measuring of output detector voltage use 12-16 bit ADC and precision processing unit. In this case it is possible to expect a value of standard uncertainty no more than ±0.8 dB.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»