Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



ничена снизу длительностью переходного процесса в газовом разряде. В зависимости от допустимых искажений минимальная длительность модулирующего импульса может составлять 0,2-1 мс.

Спектральная плотность мощности щума радиоизлучения при работе в режиме непрерывной генерации и при импульсной модуляции неодинакова. Значение отклонения СПМШ зависит от типа ГШТ и различно даже для трубок одного типа. Это обстоятельство накладывает ограничения на использование импульсного режима работы ГШТ в высокоточных генераторах шума. Как показали исследования, изменение СПМШ в импульсном режиме можно значительно снизить при увеличении анодного тока. Так, при работе ГШТ в форсированном режиме по току (ГШ-10, ГШ-11 до 200 мА, ГШ-5 и ГШ-6 до 150 мА) изменение СПМШ в импульсном режиме по сравнению с его значением в режиме непрерывной генерации незначительно.

Генераторы шума на ГШТ обладают довольно высокой временной стабильностью, имеют хорошую сходимость характеристик ламп между собой. Значения шумовой температуры отдельных ГШТ отличаются друг от друга только в пределах случайной погрешности измерений. Газоразрядные шумовые трубки не имеют заметного старения от наработки. В связи с этим специально отобранные ГШТ используются в качестве меры СПМШ в эталонах и образцовой аппаратуре различных разрядов.

Погрешности градуировки генераторов шума определяются в основном точностью измерительной аппаратуры. Для известных образцовых установок значения этих погрешностей приведены в табл. 13.4.

Основные технические характеристики генераторов шума приведены в табл. 13.5 и 13.6.

13.4.2. ТЕПЛОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ШУМА

В основу построения тепловых генераторов шума положен принцип излучения электромагнитной энергии нагретым «черным» телом. Основным элементом таких генераторов является согласованная нагрузка, физическая температура которой определяет спектральную плотность мощности шумового излучения:

S = kT. (13.15)

Уравнение (13.15) справедливо в области температур и частот, в которой выполняется соотношение

hf«kT,

(13.16)-

где h - постоянная Планка (6,62 • 10"* Дж/с); Т- температура источника шумового излучения, К; к - постоянная Больцмана (1,38-10~ Дж/град); / - частота радиоизлучения, Гц-

При невыполнении (13.16) (например, при Г<4 К, / = l,2•10° Гц) спектральная плотность мощности излучения «черного» тела определяется законом Планка:

S = hY/{2lWkT-iy (13.17)

Применение при расчетах соотношения (13.17) является сложным.

Известно, что существует с достаточной для расчета точностью (примерно 1 %) линейная зависимость между физической температурой тела и спектральной плотностью шумового излучения вплоть до температуры жидкого гелия (4 К) и частот длинноволновой части миллиметровых вола В этом случае условием выполнения соотношения (13.15) является соотношение

(hf/кТ)У 12 « 1.

Тепловые генераторы применяются при создании эталонных и образцовых источников шума для передачи единицы спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения рабочим прибором, а также при измерениях шумовых параметров малошумящих устройств.

Тепловые генераторы шума классифицируются на низкотемпературные (НГШ) и высокотемпературные (ВГШ).

Низкотемпературные генераторы щума. Генераторы шума в обшем случае состоят из однородной линии передачи, нагруженной на согласованную нагрузку и помещенной в криостат с жидким охладителем. В качестве охладителей используются жидкие азот, гелий и водород.

Для уменьшения притока тепла к охладителю через поперечное сечение линии передачи последние часто выполняются в виде коаксиальной линии с минимально тонкими стенками проводников. По сравнению с волноводными трактами, особенно больших сечений, размеры коаксиальной линии могут быть значительно меньше. Связь с волноводным трактом в этом случае осуществляется с помощью волноводно-коак-сиального перехода.

Внешний и внутренний проводники коаксиальной линии выполняются из нержавеющей стали, что обусловлено ее весьма низкой теплопроводностью. Токонесущие поверхности проводников покрьшаются тон-



КИМ слоем металла с высокой электропроводностью (серебро, золото).

В качестве согласованных нагрузок в генераторах используются резисторы или объемные коаксиальные нагрузки, вьшол-ненные из поглощающего материала. Для согласования нагрузки с трактом внутренняя поверхность внещнего проводника в нижней части коаксиальной линии имеет специальную форму.

Особенностью эксплуатации низкотемпературных генераторов щума является то, что уровни охлаждающих жидкостей с течением времени непрерывно снижаются, а это приводит к изменению температуры вдоль нагрузки и линии передачи, а также вносимых в линию потерь. В каждой конструкции генератора применяются различные технические решения для стабилизации во времени температуры шума.

В отличие от генераторов шума с жидким азотом в гелиевых генераторах шума криостат представляет собой единую конструкцию из двух сосудов Дьюара - внутреннего и внешнего. Внутренний сосуд заполнен жидким гелием. Внешний сосуд заполняется жидким азотом и служит тепловым экраном для снижения испарения гелия. Для сокращения расхода гелия и стабилизации уровня выходного сигнала температура участка линии передачи вблизи ее конца делается равной температуре жидкого азота независимо от уровня гелия. Это достигается с помощью хорошего теплового контакта соответствующего участка линии с наружным сосудом криостата.

Аттестация низкотемпературных генераторов по уровню температуры шума производится расчетным методом. В общем случае генераторы шума состоят из согласованной нагрузки находящейся при температуре охлаждающей жидкости, и однородной линии передачи, участки которой находятся при разной температуре и имеют соответствующие потери. Упрощение законов распределения температуры (линейный закон, аппроксимация ломаной линии и др.), а также неточное определение малых потерь отдельных участков тракта значительно влияют на точность аттестации. Наибольшую точность аттестации имеет экспериментально-теоретический метод расчета, в котором низкотемпературный генератор шума разбивается на ряд секций, для которых экспериментально определяются законы распределения температуры и вносимых потерь.

Полагая, что распределение температуры вдоль нагрузки равномерно и она имеет температуру охлаждающей жидкости

и хорошо согласована с линией передачи (КСВН 1,05), температуру шума на выходе генератора можно рассчитать по формуле

Гг.ш = Г„ +р [т(х) - Т J а (х) е - J dx, о

где Ti, - температура нагрузки; а(х) - коэффициент затухания единицы длины секции; Xi - расстояние от выхода генератора до нагрузки

Распределение температуры вдоль выходного тракта измеряется с помощью термопары при нескольких уровнях охлаждающей жидкости (после заливки, при минимальном уровне). Коэффициент затухания отдельных секций и нестабильность потерь в разъемах определяются экспериментально и затем рассчитываются с учетом изменения температуры секций.

Основньили составляющими погрешности определения номинальной температуры шума на выходе генератора являются:

погрешность, вызванная неточным учетом неравномерности охлаждения нагрузки;

погрешность за счет неточности определения потерь в линии передачи и нестабильности потерь в разъемах (фланцах);

погрешность, вызванная неопределенностью распределения температуры.

В табл. 13.7 приведены основные метрологические характеристики низкотемпературных генераторов шума Г2-46 и гелиевого.

Высокотемпературные генераторы 1цума. Основу конструкции подобных генераторов составляет согласованная нагрузка, нагретая до относительно высокой температуры. Для хорошего согласования нагрузка выполняется в виде объемного и пленочного поглотителя. Непосредственно на волноводе с на-

Таблица 13.7. Основные характеристики гелиевого НГШ и Г2-46

Характеристика

Гелиевый НГШ

Г2-46

Охладители

Жидкий

Жидкий

гелий

азот

Диапазон частот, ГГц

8,7-11,3

0,48-4

Номинальное значе-

80,8

ние температуры

шума, К

Погрешность аттес-

±0,6

±1

тации температуры

шума, К

КСВН выхода

1,04-1,06 Волновод

1,2-1,25

Выходной тракт

Коаксиал

сечением 23 x 10 мм

50 Ом



грузкой, покрытом изоляцией, размещен нагреватель в виде нагревательных спиралей. За счет различной плотности намотки спирали вдоль волновода достигается необходимая равномерность распределения температуры вдоль поглотителя.

Волновод с нагревателем помещен в цилиндрический тепловой экран. Пространство между кожухом гшератора и экраном заполнено изолирующим материалом. Выходной конец волновода также теплоизолирован. В конструкции поглотителя размещены термопары для измерения и автоматического регулирования постоянства температуры.

При нагреве согласованной нагрузки она создает шумовое излучение. Спектральная плотность мощности шума такого генератора при одинаковой температуре вдоль поглотителя и отсутствии потерь в волноводе от поглотителя до выхода прямо пропорциональна абсолютной температуре поглотителя. Так как данные условия трудно выполнимы, аттестация высокотемпературных генераторов шума, так же как и низкотемпературных, производится экспериментально-теоретическим методом.

Основными составляющими погрешности аттестации генераторов являются:

погрешность аппаратуры для автоматической стабилизации температуры (8а.с);

погрешность измерения температуры

(8т);

погрешность за счет неравномерности температуры вдоль поглотителя (8„р);

погрешность внесения поправки на потери в волноводе, в том числе от частотной зависимости затухания (8п)-

Общая погрешность высокотемпературного генератора шума определяется суммой частных погрешностей, являющихся случайными и не зависящими друг от друга:

сит составляющая, обусловленная учетом потерь в волноводе. Уменьшение этой погрешности возможно лишь при изготовлении волновода из неферромагнитного материала с проводимостью, большей проводимости никеля. Наиболее подходящим для этой цели является золото. Особенно большое значение этот фактор приобретает при повышении рабочей частоты, когда потери волновода значительно возрастают.

Высокотемпературные генераторы шума используются в широком диапазоне частот - вплоть до коротковолновой части миллиметровых волн. В табл. 13.8 приведены основные технические характеристики нескольких типов высокотемпературных генераторов шума.

13.4.3. ГЕНЕРАТОРЫ ШУМА НА ВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ

В диапазоне высоких частот в качестве генератора шумовых сигналов используется шумовой диод 2Д2С, работающий в режиме насыщения. Источником шумового излучения в диоде является дробовой шум. Действующее значение тока диода в режиме насыщения определяется формулой Шоттки.

/д = 1/2е/еД/,

8г. ш = l/8f.c + 8?-t-8p-)-8j.

Анализ абсолютных значений составляющих погрешности показывает, что наибольший вклад в общую погрешность вно-

где е - заряд электрона; 1 - анодный ток диода; Д/ - полоса шумов.

В режиме насыщения анодный ток диода мало зависит от анодного напряжения. Регулировка анодного тока производится изменением напряжения накала. Это свойство насыщенного диода исключает необходимость встраивания в генератор для изменения уровня СПМШ аттенюатора. Номинальная мощность шума насыщенного диода на нагрузке R

На основе диода 2Д2С создан генератор шума Г2-32. Он представляет собой коаксиальную линию с включенным в нее диодом, работающим в режиме насыщения. К одному

Таблица 13.8. Основные характеристики высокотемпературных генераторов шума

Тип генератора

Диапазон частот, ГГц

Температура шума, К

Погрешность аттестапии, дБ

КСВН

Сечение волновода или сопротивление

тракта

Г2-26

0,1-3

+0,1

75 Ом

Г2-27

0,1-4

+0,1

50 Ом

Г2-28

4-5,56

+0,1

48 x 24 мм

Г2-29

5,52-8,33

+ 0,1

35х 15 мм

Г2-30

8,33-11,54

+ 0,1

23 X 10 мм



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 [138] 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0097