Исследование комбинационных помех в анализаторе спектра миллиметрового диапазона длин волн
В радиотехнике, электронике, технике связи и других отраслях промышленности анализ формы электрических сигналов позволяет получить информацию о качестве радио-устройств, линий связи , технологических процессов и т.д. Сложная периодическая функция времени полностью описы-вается амплитудами и фазами ее спектральных составляющих. В большинстве случаев достаточно иметь информацию об амплитуде и частоте составляющих спектра сигнала , то есть об амплитудном спектре. Загруженность освоенных ВЧ и СВЧ диапазонов, потребность использования радиоэлектронных средств (РЭС) для решения широкого круга новых задач вызвали необходимость дальнейшего расширения частотного диапазона в область мм длин волн. При этом важное значение имеют вопросы исследования неосновных колебаний в ВЧ трактах и радио излучений различных РЭС, а также контроль за рациональным использованием
РЭС , исключающим взаимные радиопомехи.
С целью контроля неосновных радио излучений и колебаний побочных излучений радиопередающих устройств, загружающие общий частотный диапазон , а также возможности установления источника помех и их характера используются панорамные приёмные устройства - измерительные панорамные приёмники и анализаторы спектра последовательного действия ( АС ПД).
При конструировании анализаторов спектра с помощью раз-личных мер предусматривается максимально возможное ослабление комбинационных помех в гарантируемой полосе обзора, однако устранить их полностью невозможно. Свобод-ный от комбинационных составляющих интервал амплитудной характеристики анализатора по входу, ограниченный снизу уровнем комбинационных сигналов, а сверху максимально допустимым уровнем измеряемого сигнала , поступающего на смеситель (при котором комбинационные отклики незначи-тельно превышают шумы анализатора), называют динамическим диапазоном по комбинационным помехам .
Динамический диапазон по комбинационным помехам в анализаторах спектра миллиметрового диапазона волн в основном определяются КВЧ преобразователями входных сигналов. Исторически на начальных этапах освоения мм диапазона длин волн предпочтение отдавалось гармониковым преобразователям частоты и анализаторам спектра с их использованием , так как это направление обеспечивает наиболее быстрое решение первоочередных измерительных задач с наименьшими затратами .
Достоинством гармониковых АС ПД является относи-тельная простота , однако они имеют плохую чувстви-тельность и малый динамический диапазон, свободный от комбинационных помех . Эти проблемы снимаются при использовании АС ПД с преобразованием спектра КВЧ сигналов на 1-ой гармонике гетеродина . При этом возможны следующие варианты построения преобразователей:
- с гетеродином на фиксированную частоту КВЧ диапазона ,
- с перестраиваемым гетеродином КВЧ диапазона ,
формируемым путем умножения сигнала гетеродина СВЧ базового анализатора.
Фиксированные гетеродины применяются в случаях,
когда требуется выполнить спектральный анализ сигналов в относительно небольшом участке диапазона частот (не более 10-12 ГГц) .
В случае необходимости исследований сигналов в полном частотном диапазоне волновода используются перестраиваемые гетеродины, перекрывающие по частоте этот диапазон.
Формирование сигнала такого КВЧ гетеродина осущест-вляется умножением частоты задающего СВЧ - генератора. В спектре сигнала гетеродина на выходе умножителей кроме основного, используемого в преобразователях колебания , содержатся побочные составляющие , кратные частоте задающего генератора. Исследованию комбина-ционных помех в КВЧ преобразователях, возникающих при немонохроматическом сигнале гетеродина и посвящена дипломная работа .
Целью работы по исследованию комбинационных помех в преобразователях частоты , работающих на первой гармонике гетеродина - умножителя является:
- расчет относительных уровней комбинационных помех,
- экспериментальная проверка полученных теорети-ческих результатов.
2. Теоретический анализ комбинационных помех ,
обусловленных побочными колебаниями гетеродина
КВЧ в смесителе анализаторов спектра.
Вопросы расчета относительного ослабления амплитуд
комбинационных составляющих (продуктов преобразования)
нашли отражение в ряде работ ( 1 ) , ( 4 ) , ( 7 ) .
Для расчета комбинационных искажений необходимо математическое задание вольт - амперной характеристики диода , которая может быть представлена с помощью различных методов аппроксимации :
- рядами Вольтерра ;
- экспоненциальном представлением ;
- в виде степенного ряда .
Первый метод для нашей задачи представляется неприемлемым ввиду громоздкости вычислений .
В нашей работе расчет комбинационных искажений проводился для двух видов аппроксимации вольт - ампер-ной характеристики смесительных диодов :
- представлением вольт - амперной характеристики диода степенным рядом ;
- экспоненциальным представлением вольт - амперной характеристики .
2.1 Метод аппроксимации В.А.Х. диода экспоненциальной функцией .
Для расчета комбинационных помех, возникающих на выходе полупроводникового преобразователя частоты , обусловленных наличием побочного колебания в сигнале гетеродина , воспользуемся методикой , предложенной в работе ( 8 ) .
В литературе (1 - 4) характеристику полупроводнико-вого диода принято отображать экспонентой вида:
(2.1.1)
где 
- ток через диод и приложенное к нему напряжение;
- коэффициенты аппроксимации .
Пусть на вход преобразователя поступает напряжение:
(2.1.2)
где 
- амплитуды и частоты составляющих входного
напряжения соответственно .
Подставляя в выражение (2.1.1) значение напряжения (2.1.2) , получим :
(2.1.3)
Величину 
можно разложить в ряд по модифицированным функциям Бесселя ( 5 ):
(2.1.4)
С учетом разложения (2.1.4) ток 
равен :
(2.1.5)
После перемножения из формулы (2.1.5) можно извлечь выражения всех спектральных составляющих тока на выходе полупроводникового преобразователя частоты. Комбинационные составляющие, образующиеся в результате взаимодействия всех компонент спектра входного сигнала, имеют амплитуды:
(2.1.6)
и частоты 
Воспользуемся приведенными выше формулами для расчета относительного ослабления комбинационных помех.
Считаем , что на вход преобразователя поступают напряжения:
- гетеродина 
- измеряемого сигнала 
где 
- амплитуда и частота основного колебания гетеродина ;
- амплитуда и частота побочного колебания в сигнале гетеродина ;
- амплитуда и частота входного сигнала.
В результате основного преобразования (K1=1, K3=1) на промежуточной частоте 
образуется составляющая тока с амплитудой :
(2.1.7)
В процессе взаимодействия побочного колебания гете-родина и входного сигнала (K2=1, K3=1) , на промежу-точной частоте 
образуется составляющая тока с амплитудой :
(2.1.8)
Рассчитаем относительное ослабление комбинационной помехи :
(2.1.9)
Для упрощения дальнейших вычислений будем
предполагать, что 
. В таком предположении можно считать( 8 ) :
(2.1.10)
(2.1.11)
(2.1.12)
Таким образом окончательная формула для расчета относительного ослабления комбинационной помехи имеет следующий вид :
(2.1.13)
2.2 Метод аппроксимации ВАХ диода степенным рядом.
Для исследования продуктов комбинационных преобра-зований в смесителе в случае малой амплитуды гетеродина воспользуемся аппроксимацией степенным рядом (1).
Рассчитаем уровень комбинационных помех для этого случая. Ток , протекающий через диод , запишем в виде:
(2.2.1)
где 
- коэффициенты ряда ;
- входное напряжение .
Входное напряжение , как и в пункте 2.1.2, представляет собой сумму напряжений :
(2.2.2)
где 
- напряжение и частота основного колебания гетеродина;
- напряжение и частота побочного колебания гетеродина;
- напряжение и частота входного сигнала.
Для исследования комбинационных помех в смесителе не выше третьего порядка воспользуемся аппроксимацией вольт - амперной характеристики диода полиномом пятой степени (1). Найдем выражение для тока диода. При расчете учтем только члены , дающие вклад в выходной ток преобразователя на промежуточной частоте. В случае когда напряжение смещения постоянного тока равно нулю, вклад в выходной сигнал на промежуточной частоте дадут только члены полинома с четными степенями . Тогда после подстановки (2.2.2) в (2.2.1) получим :
(2.2.3)
Найдем амплитуды откликов в выходном сигнале смеси-теля при преобразованиях на основном и побочном колеба-ниях гетеродина: 
(2.2.4)
(2.2.5)
Рассчитаем относительный уровень комбинационных
помех :
(2.2.6)
В предположении U1 >> U2 , U1 >> U3 получим :
(2.2.7)
или:
(2.2.8)
Из разложения экспоненциальной функции в ряд Маклорена следует, что коэффициенты К2, К4 при членах разложения с четными степенями могут принимать только положительные значения . Тогда видно, что отношение
W2/W1 лежит в пределах :
(2.2.9)
или:
(2.2.10)
На основании полученных результатов с учетом выражений (2.1.13) и (2.2.10) могут быть сделаны следующие выводы :
- при "большой" мощности основного колебания гетеродина комбинационная помеха на выходе преобра-зователя ослаблена больше, чем побочное колебание в гетеродине ;
- при "малой" мощности основного колебания гетеродина дополнительного ослабления комбинационной помехи на выходе преобразователя не происходит .
3. Расчет и экспериментальное измерение относительных уровней комбинационных помех.
Основной целью эксперимента было определение динамического диапазона в АС мм диапазона по комбинационным искажениям с преобразованием на 1-ой гармонике гетеродина с умножением частоты .
3.1 Исследование уровней побочных колебаний
в сигнале гетеродина .
В этом эксперименте исследовалась работа волноводных
умножителей частоты на 2 и на 3 в диапазоне
25,95-37.5 ГГц.
_________ ________ ____________
| | | | | |
| 1 |------->| 2 | | 3 |
|_________| |________| |____________|
| |
------->-----------|
________ ________ ________ ____|____
| | | | | | | |
| 4 | | 5 |<---| 6 |<---| 7 |
|_______ | |________| |________| |_________|
| | |
__ |____ ____|___ ____|___ _________
| | | | | | | |
| 8 |<--| 9 | | 10 |--->| 11 |
|________| |________| |________| |_________|
|
___|____ ________ ________ _________
| | | | | | | |
| 12 |-->| 13 |<---| 14 |<---| 15 |
|________| |________| |________| |_________|
| ________
| | |
------>--| 16 |
|________|
Рис.1 Блок схема установки для исследования сигнала гетеродина - умножителя.
- 14 -
- 14 -
1- задающий генератор Г4-80 (Г4-81);
2- умножитель на 3 коаксиальный;
3- измеритель мощности P1;
4- измеритель мощности P9 ( P6 );
5- умножитель на 3 ( на 2 ) волноводный;
6- направленный ответвитель 10 дБ;
7- усилитель мощности;
8- переключатель 1:2 волноводный;
9- аттенюатор Д3-36;
10- аттенюатор 10 дБ;
11- измеритель мощности P3;
12- перестраиваемый фильтр;
13- смеситель;
14- фильтр низкой частоты;
15- генератор Г4-56;
16- анализатор спектра СК4-87.
С генератора 1 напряжение сигнала поступает на умножитель
частоты 2 , где происходит умножение частоты задающего генератора.
Уровень мощности контролируется измерителем мощности 3 . С умножителя
сигнал поступает на усилитель мощности 7, усиливается и через
направленный ответвитель 6 приходит на второй умножитель 5 , где
происходит окончательное формирование сигнала КВЧ гетеродина.
Далее через аттенюатор 9 , переключатель 8 этот сигнал через
преселектор 12 подается на сигнальный вход смесителя 13 для анализа.
На гетеродинный вход смесителя через ФНЧ 14 приходит сигнал с генера-
тора 15. Преобразованный сигнал исследуемого КВЧ гетеродина поступает на
анализатор спектра 16 , где происходит его дальнейший анализ.
- 15 -
- 15 -
Рассчитаем частоту задающего генератора Г4-80 для приема
начальной частоты Fc рассматриваемого диапазона.
Fзг=(Fc-Fпч)/n, (4.1.1)
где Fпч - промежуточная частота, Fпч=1 ГГц,
Fc - частота сигнала,
n - общий коэффициент умножения.
Таким образом Fзг= (26-1)/6 = 4,16 ГГц при использова-
нии умножителя на 2.Наибольший уровень на выходе умножителя на 2
имеет побочное колебание, получающееся умножением на 3, то есть
9-ая гармоника задающего генератора.
Таким образом частота побочного колебания Fп = 4,16*9 =36,44 ГГц.
Уровень основной гармоники Р6=12 мВт,а показание СК4-87 -4 дБм
при частоте настройки Г4-56 - 27 ГГц.Перестройкой Г4-56 на часто-
ту 37,44 ГГц получаем отклик на СК4-87, равный -26 дБм,
что соответствует уровню побочного колебания Р9=0,08 мВт.
При использовании волноводного умножителя на 3 частота задающего
генератора устанавливается Fзг= (26-1)/9 = 2,78 ГГц. Наибольший
уровень имеет побочное колебание, получающееся на 12-ой гармонике
задающего генератора. Частота этого колебания Fп=Fзг*12 и будет
соответственно Fп=34,33 ГГц . Уровень основной гармоники
Р9=2,4мВт, а уровень побочного колебания Р12=0,8 мВт определены
по описанной выше методике.
Уровни мощности основного колебания гетеродина Р6 и Р9
определяются максимально-допустимой мощностью на входе волновод-
ного умножителя равной 100 мВт.
- 16 -
- 16 -
4.2 Расчет и исследование уровней комбинационных помех
смесителя.
________ __________ _________ _________
| | | | | | | |
| 1 |-------->| 2 |-------->| 3 |---->| 4 |->-
|________| |__________| |_________| |_________| |
| |
________ _______ ________ ________ _________ |
| | | | | | | | | | |
| 5 |------>| 6 |-->| 7 |---->| 8 |->| 9 |-<-
|________| |_______| |________| |________| |_________|
| |
___|____ ____|____
| | | |
| 10 | | 11 |
|________| |_________|
Рис.2 Блок - схема установки для исследований комбинационных
помех смесителя.
1- генератор Г4-80 (Г4-81)
2- умножитель на 3
3- усилитель мощности
4- умножитель на 2 ( на 3 )
5- генератор Г4-56
6- ФНЧ
7- переключатель
8- аттенюатор
- 17 -
9- смеситель
10- измеритель мощности
11- анализатор спектра СК4-87
С задающего генератора 1 поступает сигнал на умножитель
частоты 2затем на усилитель мощности 3, усиливается и поступает
на умножитель частоты 4, где сигнал переносится на нужную
нам частоту, а именно на частоту 6-ой или 9-ой гармоники ( в
- 17 -
зависимости от того, какой у нас умножитель, на 2 или на 3 ),
далее сигнал поступает на гетеродинный вход смесителя 9 .Сигнал
с генератора 5 через ФНЧ 6, переключатель 7, аттенюатор 8 пос-
тупает на сигнальный вход смесителя. Продукты преобразования с
выхода смесителя измеряются анализатором спектра 11.
Измерения проводились по следующей методике.
Частота Г4-80 устанавливалась 4,16 ГГц при работе с умножением
на 6 основного преобразования и 2,78 ГГц при работе с умножением
на 9. Уровень сигнала Г4-56 поддерживался постонным и равным
30 мкВт. Значения частоты Г4-56 устанавливались такими же как
указано в разделе 4.1 . Фиксировалось ослабление аттенюатора
Д3-36 при превышении отклика анализатора СК4-87 от входных
сигналов над собственными шумами на 3 дБ.
Результаты исследований сведены в таблицу, в ней же
приведены относительные уровни побочных колебаний гетеродина,
измеренных в пункте 4.1:
таблица 1
______________________________________________________________
|Умножи-|Частота,ГГц|Ослабление|Уровень ||Уровень побочного |
| тель | |Д3-36,дБ |помехи,дБ||колебания гетеродина|
|_______|___________|__________|_________||____________________|
| x2 | 27 | 76 | ---- || |
- 18 -
| x2 | 37,44 | 49 | -27 || -22 |
| x3 | 27 | 66 | ---- || |
| x3 | 34,33 | 63 | -3 || -5 |
|_______|___________|__________|_________||____________________|
Таким образом из исследований видно, что при использовании
умножителя на 2 ослабление комбинационной помехи превышает
относительный уровень побочного колебания гетеродина.
Для оценки ослабления можно воспользоваться выражением (2.1.13).
- 18 -
При использовании умножителя на 3 относительный уровень
комбинационной помехи не ниже уровня побочного колебания гетеро-
дина.Для оценки уровня помехи в этом случае можно воспользоваться
выражением (2.2.8).
Из полученных результатов следует, что коэффициент ум-
ножения задающего генератора целесообразно выбирать таким образом,
чтобы использовать волноводный умножитель на 2.
- 19 -
- 19 -
4.3 Измерение относительных уровней комбинационных помех
в анализаторе спектра.
------------------------------
_____ _____ _____ _____ | ____ ____ ____ ____ |
| | | | | | | | | | | | | | | | | | ___
| 1 |-| 2 |-| 3 |-| 4 |-|--| 7 |-| 8 |-| 9 |-| 10 |-|--| |
|_____| |_____| |_____| |_____| | |____| |____| |____| |____| | | |
| | | | | |
------- | | | | |
__|__ _____ | __|_ ____ ____ | |14 |
| | | | | | | | | | | | | |
| 5 | | 6 |-|---------| 11 |-| 12 |-| 13 |-|--| |
|_____| |_____| | |____| |____| |____| | |___|
| Преобразователь частоты |
------------------------------
- 20 -
Рис.3 Структурная схема для проверки комбинационных помех в АС.
1 - генератор Г4-156
2 - направленный ответвитель
3 - фильтр полосовой
4 - аттенюатор Д3-36
5 - частотомер Ч3-66
6 - измеритель мощности М3-53
7 - вентиль волноводный ФВВН1-16
8 - смеситель волноводный 7,2*3,4 мм
9 - усилитель малошумящий ЕЭ2.031.242
10 - преобразователь частоты 317/17 МГц
11 - умножитель частоты на 2 ЯНТИ 434.841.067
12 - усилитель средней мощности 10,7-17,7 ГГц
13 - умножитель частоты (2-6,6)/(2-26) ГГц
14 - анализатор спектра С4-85
- 20 -
Измерения проводились с использованием методики, изложенной в
разделе 4.2. В качестве задающего генератора применялся гетеродин-
синтезатор прибора С4-85.
Ослабление комбинационной помехи на 12-ой гармонике задающего
генератора составило порядка 30 дБ.
- 21 -
- 21 -
4.Заключение
Полученные результаты теоретического анализа относи-тельных уровней комбинационных помех первого порядка в анализаторах спектра КВЧ с преобразованием на первой гармонике в случае немонохроматического сигнала исполь-зуемого гетеродина могут быть применены для расчета схем анализаторов с умножителями частоты в гетеродинном
тракте.
Рассмотрены два случая формирования гетеродинного сигнала:
- с использованием волноводного умножителя на 3,
- с использованием волноводного умножителя на 2.
Для первого случая мощность основного колебания гете-родина недостаточна для обеспечения оптимальных парамет-ров смесителя. Наиболее близкие к эксперименту результаты дает метод аппроксимации ВАХ диода степенным рядом. Оценка по формуле (2.2.10)совпадает с результатами табли-
цы 1 .
Для второго случая лучшее совпадение результатов расчета относительных уровней комбинационных помех дает метод аппроксимации ВАХ диода экспонентой . Оценка по формуле (2.1.13) уровня комбинационной помехи дает резуль-тат на 2 дБ ниже по сравнению с относительным
уровнем побочного колебания для описанного в работе эксперимента без учета рассогласования на гетеродинном
входе смесителя . Измеренный уровень комбинационной помехи по данным таблицы 1 ниже относительного уровня побочного колебания на 5 дБ.
Результаты теоретических и экспериментальных иссле-
дований относительных уровней помех в АС мм диапазона, обусловленных наличием побочных колебаний в сигнале гетеродина, показывают , что динамический диапазон АС может быть обеспечен не менее, чем величина ослабления побочного колебания только в случае достаточно большого
уровня мощности основного колебания гетеродина. Для исследованного смесителя на волновод сечением 7,2x3,4 мм этот уровень не должен быть ниже 10 мВт.
- 21 -
5. Список литературы
1. H.W.Pollack, M.E.Engelson. The Microwave Jornal. 1962, Dec.
2. А.М.Щерба "Труды учебных институтов связи",серия "Радиоиз-
мерительная техника", 1969г.,вып.2.
- 23 -
3. Л.С.Гуткин "Преобразование СВЧ и детектирование",Госэнерго-
издат, 1953г.
4. Л.Р.Деречинский "Вопросы радиоэлектроники",серия "Радиоиз-
мерительная техника", 1969г.,вып.2.
5. Е.Янке, Ф.Леш, Ф.Эмде "Специальные функции",
Изд."Наука", 1968г.
6. Научно-технический отчет о НИР "Анализатор-ММ"(предварительный),
ННИПИ " Кварц " , 1997г.
7. Б.М. Богданович "Нелинейные искажения в приемно-усилительных
устройствах " /M , " Связь " , 1980г.
8. А.А. Залевский " Вопросы расчета и проектирования
панорамных измерительных приемников " /Вопросы Радиоэлект-
роники . Вып. 3 , серия Р.Т. , 1971г.
- 23 -
3. Техника безопасности
Настоящая работа проводилась в лаборатории без повышенной опасности . При работе соблюдались следую-
щие правила техники безопасности :
- все приборы были заземлены ;
- перед включением проверялась правильность соеди-нения приборов , а также отсутствие на рабочем месте посторонних предметов;
- работы проводились под руководством научного руководителя и консультанта ;
- после окончания работы все приборы были отключе-
ны от сети питания .