Разработка и исследование малошумящего болометра и входного преобразователя частоты супергетеродинного измерителя ослаблений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.08, кандидат технических наук Адерихин, Владимир Ильич

• Адерихин, Владимир Ильич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Адерихин, Владимир Ильич

Основные обозначения^ сокращения.

ВВЕДШИЕ.

ШВА I. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БОЛОМЕТРА И БОЛОМЕТРИЧЕСКОГО СМЕСИТЕЛЯ.

§1.1. Болометр.

§1.2. Болометрический смеситель.

§1.3. Шумы болометра.

Выводы.

ШВА 2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БОЛОМЕТРА

И БОЛОМЕТРИЧЕСКОГО СМЕСИТЕЛЯ.

§ 2.1. Болометр как элемент электрической цепи.

§ 2.2. Коэффициент передачи болометрического смесителя.

§ 2.3. Теоретический спектр шума болометра .60'

§2.4. Коэффициент шума болометрического смесителя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование малошумящего болометра и входного преобразователя частоты супергетеродинного измерителя ослаблений»

В связи с созданием средств высшей точности в области измерения ослаблений возникла необходимость разработки измерителя больших ослаблений (от 0 до 100 дБ) с точностью измерений, превышающей в несколько раз точность серийно выпускаемых средств. Точность измерений определяется, в основном, точностью используемой меры и динамическим диапазоном измерителя.

Наибольшую точность имеют измерители ослабления, в которых измеряемое ослабление на высокой частоте (ВЧ) сравнивается с ослаблением меры на промежуточной частоте (ПЧ). В настоящее время в качестве мер ослабления успешно используются резистивные аттенюаторы [i]. Чтобы свести к минимуму погрешность измерений, обусловленную мерой, аттестуемой с высокой точностью на постоянном токе, используют низкие промежуточные частоты (десятки герц).

В случае низких промежуточных частот наибольший динамический диапазон обеспечивает смеситель [21 на проволочном болометре, так как проволочный болометр, во-первых, имеет больший по сравнению с полупроводниковым диодом диапазон квадратичности [з1, во-вторых, смеситель с проволочным болометром имеет высокую чувствительность (пороговую) [2, 4, б].

Благодаря высокой чувствительности и большому динамическому диапазону, проволочные болометрические смесители давно применяются на СВЧ при точных измерениях ослабления и фазового сдвига [б], в ЗПР-спектроскопии [7I, при измерении спектров амплитудных шумов генераторов вблизи несущей 15 ]. Важным достоинством болометров является возможность применения их в большом диапазоне рабочих частот (от постоянного тока до оптического диапазона), что связано с тепловым принципом действия болометра. Широко используемые платиновые проволочные болометры отличаются долговременной стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Сравнительная простота конструкции позволяет изготавливать проволочные болометры с близкими характеристикамш, что необходимо при построении балансных схем, а также изготавливать болометры с заданным сопротивлением, что облегчает согласование их с измерительным трактом.

В качестве количественной меры пороговой чувствительности смесителя удобно использовать спектральную плотность мощности его шума, приведенного ко входу. Для ее теоретической оценки в случае проволочного болометрического смесителя получено значение Ю-18 Вт/Гц [2]. При расчете учитывались только тепловой шум болометра и шум, обусловленный флуктуациями его температуры. Чувствительность теплового приемника, определяемую тепловым шумом и флуктуациями температуры, называют [в! предельной. Согласно [4, 5, 8], проволочный болометр, в отличие от других нелинейных элементов (в том числе металлических пленочных [81 и полупроводниковых [8, 91 болометров), не должен иметь на низких частотах избыточного шума. То есть в смесителе на основе проволочного болометра должна реализоваться предельная чувствительность. Однако реальная чувствительность оказалась ниже расчетной более чем на порядок [ю]. Таким образом, увеличение динамического диапазона измерителя ослаблений возможно за счет повышения чувствительности смесителя до ее предельного значения. Для этого необходимо исследовать факторы, ухудшающие чувствительность, и найти пути ее повышения. Необходимо также уточнить само значение предельной чувствительности болометрического смесителя. Основными характеристиками смесителя, определяющими его чувствительность, являются низкочастотный (НЧ) шум и коэффициент передачи.

В известных работах по теоретическому и экспериментальному исследованиям шумов болометра не имеется однозначных сведений см.гл.I) о величине шума на низких частотах, о зависимости величины шума от конструктивных особенностей болометра, о величине выходного сопротивления болометра для его НЧ шума.

Рассмотрение коэффициента передачи болометрического смесителя, проведенное в известных работах (см.гл.1), не имеет необходимой для разработки смесителя и исследования его предельных возможностей степени общности. В них анализируется коэффициент передачи только "последовательной" эквивалентной схемы смесителя. В результатах расчетов имеются отдельные неточности.

Таким образом, исследования характеристик болометрического смесителя и его нелинейного элемента - проволочного болометра -с целью повышения чувствительности смесителя и увеличения динамического диапазона измерителя ослаблений являются необходимыми и своевременными.

Целью работы является разработка проволочного болометрического смесителя, предназначенного для применения в качестве входного преобразователя частоты супергетеродинного измерителя ослаблений на диапазон частот ниже 100 МГц, с чувствительностью смесителя, близкой к предельной (при нормальной температуре). Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

- сравниваются по величине коэффициента передачи различные эквивалентные схемы простого смесителя с одним болометром;

- рассчитывается предельная чувствительность болометрического смесителя;

- экспериментально исследуется НЧ шум проволочного болометра и выявляются факторы, влияющие на его величину;

- осуществляется экспериментальная проверка тепловой модели болометра, положенной в основу описания его динамических (частотных) и шумовых свойств, и оценивается точность определения его параметров, необходимых при расчете основных характеристик болометрического смесителя;

- разрабатывается малошумящий болометр с уровнем НЧ шума, близким к теоретическому пределу;

- разрабатывается широкополосный балансный болометрический о смеситель, имеющии степень подавления шума гетеродина, достаточную для реализации той чувствительности смесителя, которую позволяет получить использование в нем малошумящего болометра.

В диссертации рассмотрены "последовательная", "параллельная" и "раздельная" эквивалентные схемы смесителей, отличающиеся спо-собаш подключения к болометру эквивалентных источника сигнала и гетеродина. Сравнение этих схем показало преимущества "раздельной" схемы - имеющей наибольший коэффициент передачи при оптимальных значениях ее параметров. "Раздельная" схема реализована в разработанном и описанном в диссертации балансном болометрическом смесителе.

В диссертации на основе результатов экспериментальных исследований показано, что уровень НЧ шума проволочного болометра в общем случае существенно выше теоретического, то есть в нем имеется избыточный шум, Установлено, что величина избыточного шума в значительной степени зависит от конструктивных особенностей болометра. На основе проведенных исследований даны рекомендации по выбору конструкции болометра с минимальным уровнем избыточного шума и разработан малошумящий болометр (для диапазона частот ниже 100 МГц), уровень шума которого снижен практически до предела, определяемого теорией.

Для описания болометра используют тепловую модель в виде сосредоточенной тепловой системы, характеризуемой не зависящими от частоты параметрами - теплоемкостью и коэффициентом теплообмена. В диссертации на основе исследования зависимости эквивалентных тепловых параметров болометров от частоты выполнена проверка этой модели, позволяющая решить вопрос о ее применимости к конкретным конструкциям болометров и оценить погрешность определения характеристик болометра и болометрического смесителя, обусловленную приближенным характером модели.

Известно, что с приближением к "несущей" амплитудные шумы генераторов возрастают. Поэтому в смесителях с низкими промежуточными частотами ддя получения высокой чувствительности необходимо обеспечивать высокую степень подавления преобразованных на его выход шумов гетеродина. В работах [2, 5-7] приведены рекомендации по конструированию болометров и болометрических смесителей СВЧ диапазона. В диапазоне частот ниже 100 МГц болометрические смесители ранее не применялись, описание их конструкций и параметров отсутствовало. В диссертации описан балансный болометрический смеситель этого диапазона, позволяющий реализовать предельные возможности болометра, и приведены результаты исследования его характеристик.

Большинство выводов в работе, в том числе выносимые на защиту основные положения, сформулированы на основе результатов экспериментальных исследований, выполненных на болометрах из платиновой проволоки (нити) диаметром 1,5 мкм, находящейся в воздухе, имеющем нормальные температуру и давление.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Приведенная к единице длины нити спектральная плотность шумового напряжения болометра на частоте 10 Гц уменьшается в 30 раз при уменьшении длины нити с 4 до 0,3 мм.

2. Спектральная плотность шума разработанного болометра снижена до значения,не более чем в 1,3 раза превышающего теоретически возможное.

3. Чувствительность разработанного широкополосного (1-ЮОМГц) входного преобразователя частоты на основе малошумящего болометра близка к предельной. Она определяется собственным шумом болометра и составляет 1,1 •10"*-^ Вт/Гц.

Заключение диссертации по теме «Радиоизмерительные приборы», Адерихин, Владимир Ильич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На частоте 10 Гц спектральная плотность шумового напряжения болометра, приведенная к единице длины нити, уменьшается в 30 раз при уменьшении длины нити с 4 до 0,3 мм и в 18 раз при уменьшении внутреннего диаметра капсулы с 4,3 до 0,8 мм.

2. При близком расположении нити и поверхности, ограничивающей область окружающей газовой среды, существенной может оказаться составляющая шума болометра, обусловленная флуктуационными отклонениями нити. Так, для нити длиной 5 мм, расположенной на расстоянии 0,2 мм от металлической стенки, спектральная плотность шумового напряжения на частотах 80 и 250 Гц возрастает соответственно в 2 и 4 раза.

3. Правомерно эквивалентное представление болометра в виде источника шумовой э.д.с. с внутренним сопротивлением, равным динамическому сопротивлению болометра.

4. Разработан малошумящий болометр, спектральная плотность шума которого в рабочем режиме не более чем в 1,3 раза превышает теоретически возможное значение, определяемое тепловым шумом болометра и флуктуациями его температуры.

5. Разработан балансный болометрический смеситель на диапато зон частот 1-100 МГц, имеющий чувствительность 1,1*10 Вт/Гц, что близко к предельной.

Разработанный смеситель на основе малошумящего болометра применен в:

- Поверочной установке высшей точности для измерения ослабления электромагнитных колебаний на фиксированных частотах в диапазоне 0,01-100 МГц, разработанной и хранящейся во ВНИИФТРИ;

- двух комплектах приборов для поверки магазинов затухания (КППМЗ) в диапазоне частот 0-100 МГц, эксплуатируемых на одном из предприятий;

- образцовых установках для поверки магазинов затухания (УПМЗ-ЮО), опытная серия которых, изготовленная в 1983 году, предназначена для оснащения метрологических центров страны.

Применение разработанного болометрического смесителя позволило уменьшить погрешность измерения больших ослаблений (60 -100 дБ) в несколько раз по сравнению с погрешностью серийно выпускаемых образцовых средств измерения ослабления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Адерихин, Владимир Ильич, 1984 год

1. Гладков В.Д., Гулюкин B.C., Сангалова Л.А., Седов В.И., Белоусов Ю.И. Резисторный магазин затухания высокой точности.- Исслед. в обл. радиотехнич. измерений: Труды/ШИИФТРИ-М., 1977, в.33(63), с.19 - 29.

2. Петросян Ф.Н. Применение болометра в качестве смесителя супергетеродинного приемника.- Исследов. в обл. радиоизмерений: Труды/ВНИИФТРИ М., 1970, в.2(32), с.131 - 145.

3. Sxyt^e/t S. U., В. 0. Сопу>оисшт clj^ULtum.jfs>torn, i^cta^ci Намг R F c/c^tcd о/миЬл anJ

4. Ьа^-IRE Т-иьп*., p. ЮЗ-Hi.

5. Черников В.З. Исследование шумов проволочного платинового болометра и шумфактора смесителя на нем.- Методы и аппаратура измерений на СВЧ: Труды/ВНИИФТРИ М., 1973,в.13(43), с.90 96.

6. Гсльба В.А. Разработка и исследование метода измерений ослабления и фазового сдвига в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах вслн.- Диссертация на соискание ученой степени канд. технич. наук/ ВНИИФТРИ М., 1970,- <264 с.

7. F-еЖлк G. ^^K^Wc^y сюпмсЬгллХйуп Ul т<Ш1Ш><хл>?роигихмлу^тХьс х/ЦгОгииьсг tiobni^cctb . —

8. В-еК Syrt.TecAn.f.,W?,#.36,*/2t р. M9-W

9. Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и измерение инфракрасного излучения.- М.: ИМ, 1959,- 448с.

10. Каринджелла, Эйзенман. Система дяя измерения низкочастотных шумов.- Приборы дяя научных исследований, 1962, № 6, с. 64 66.

11. Адерихин Б.И., Беккеров Б.П.; 0 динамическом диапазоне измерительного приемника.- Исследования в области радиотехнич. измерений: Труды/ШИИФТРИ М., 1977, в.33(63),с.96-104.

12. Шашков А.Г., Касперович А.С., Динамические свойства цепей с термисторами.- М.-Л.: 1Ш, 1962, 208с.

13. Араме, Аллен, Пейтон, Сард. Смешение и детектирование в миллиметровом диапазоне с использованием объемных эффектов в In Si .- Тр. ин-та инженеров по радиотехнике и радиоэлектронике, 1966, № 4, с. 183 194.

14. Адерихин В.И. Малошумящий болометр.- Измерительная техника, 1980, № 2, с. 41 42.

15. Гинзтон Э.Л. Измерения на сантиметровых волнах.- М. :ИИЛ, I960, 620с.

16. Петросян Ф.Н., Пятигорский Л.М., Исследование быстродействия болометров.- Теоретич. исследов. в обл. физики: Тр. ин-тов

17. Комитета/ БНИИФТРИ М., 1966, в.80(140), с. 100 - 107.

18. Черников В.З. Влияние схемы включения и конечной длины болометра на его инерционность.- Исслед. в обл. радиоизмерений: Сб. научн.тр./ВНИИФТРИ, -М., 1970, в.2(32), с. 155 164.

19. G-ocUUc&z H- 8&Jlt>tl$cJb2 Lend tA^jnUcJu ffjUasxadlcm

20. ЛллсАйЛ^оссп^е^. an rnetaMucAm JUittstn.- Z. confer. РЬумЖ, i959} B. XT, H. s. /43-/47.

21. ScAjLicCkouuMx К. £>cy> Кош^сАщ гНУп vt}uynbielxutdttn fruited

22. CcbcJuLn <1ялХелн cm G&iut lAucmlirC^wr . ~

23. Z. cuiybur. Ptyul, №1, BMf //. 8, S. 3&0-385-.

24. Адерихин В.И. Тепловая модель и низкочастотные шумы болометра.- Тезисы докладов / 5-ая Всесоюзная научно-технич. конф. "Метрология в радиоэлектронике", 22-24 сентября 1981г., -М., 1981, с.244-245.

25. Черников В.З., Ознобишин В.В. Исследование коэффициента передачи болометра в режиме теплового смесителя.- Исслед.в обл. радиоизмерений: Труды / ВНИИФТРИ, М., 1970, в.2(32), с.146-154,

26. Биргер Л.А. Преобразование частоты при помощи нелинейных инерционных сопротивлений.- Радиотехника и электроника, 1963, т.8, № 10, с.1678 1684.

27. Вороненко В.П., Выставкин А.Н., Навроцкий В.И. 0 преобразовании частоты миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на объемном полупроводниковом нелинейном элементе.- В сб.:

28. Полупроводниковые приборы и их применение/ Под ред. Я.А. Федотова,- М., Сов. радио, 1971, в.25, с. 329 356.

29. WhcM-n Wethgcdz С. ТёшреяаМхке cLpmxdjtvicj? oficotvitex&ion CL4vd чщхугШ. twvt (У^ InSS hWXLVti.-IEEE (970, v. EQ-f7,M, p. 310-3(9.

30. Кристаллические детекторы.- M.:Сов.радио,1950, ч.1,-332с.

31. Зил А. ван дер.Флуктуации в радиотехнике и физике.- М.-Л.: 1Ш, 1958, 296с.

32. Сксшпал R. P., MMvMw.H., Шпуш d. Tfwtyiy. OLslcL рел^<уъ+ггсиьа of mztaJ 1ю1ом£Яии>. -Opt, Soc. dm., 1956, v.46, л/7, p. 460-477.31. rf-'tf- F 1и,с£шх£иОУЪ*> ш /b&t tuvu^tAn- Oppt. 19&, V7, p. 1890-1893.

33. JU S.C., ctum Т.Н. fioiu in rrwtocl itotom&tisu.ff. Oppl Pkt^., 1967, v. 38, л/9, p 3349-3451.

34. Зил А. ван дер. Шумы при измерениях.- М.: Мир, 1979,-292с.

35. Caution Н.^-, S-U-сАелМ• ttccouccu^ of io/jjrrudist p(yu>*stjstemmtb. Ръос. IRE, 1952, v.40, л/9, p. 1042-1048.

36. Адерихин В.И., Экспериментальное исследование низкочастотных шумов проволочного болометра.- Образцовые средства измерений в радиотехнике сверхвысоких частот: Сб.научн.тр.

37. ШИИФТРИ М., 1980, с. 79 - 88.36. fW., H&rn P.M. i/f fLOLM иг CC/opfSt Ъ1г/ъ1у&лл. — SolixL $ta£* (^MwujwuxtLon*, 1977\ i>.2l7 a/7, p. 679-681.

38. Нейман JI.P., Демирчян K.C. Теоретические основы электротехники.- М.-Л.: Энергия, 1966, т.2 407с.

39. Адерихин В.И. Балансные болометрические смесители на диапазон частот 0,01 100 МГц.- Образцовые средства измерений в радиотехнике сверхвысоких частот: Сб. научн.тр.

40. ШИИФТРИ М., 1980, с. 54 - 60.

41. WAcJAn f.tf., C.R. WW оп„ dfoOwtcJesif ciA^tut &Ц- &<>lom&tejt cUtcct<yt. — .EВE Тъбиц.} 1969, tf MTT-17, f/7, p. 403-404.

42. Гуткин Л.С. Преобразование сверхвысоких частот и детектирование.- М.-Л.: ГЭИ, 1953, 415 с,

43. Тетерич Н.М. Генераторы шума и измерение шумовых характеристик.- М.: Энергия, 1968, 216 с.

44. Гинзбург В.А., Шабанский В.П. Кинетическая температура электронов в металлах и аномальная электронная эмиссия.-Докл.АН СССР, 1955, т.100, В 3, с. 445 448.

45. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика.- М.: Наука, 1976, ч.I,— 584 с.

46. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. 4.1. Случайные процессы.- М.:Наука, 1976, 496с.

47. Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая термодинамика.-М.: Наука, 1971, 416 с.

48. Морс Ф. Теплофизика.- М.: Наука, 1968,- 416 с.

49. Горшков Ю.А., Уманский А.С. Измерение теплопроводности газов.- М.: Энергоиздат, 1982, 224 с.

50. Vobi R.F., СХалЛсе ^Ftiokw (i/f) /гош : ^uxM^zUcmand f^otuxxytU)^ . —

51. В, 19 TG, v. 13, р. 5-5-6-573.

52. Т.&.М. Тешр-ел&£оиъе ^ZujcXc/uoiXionA сшА

53. KoUe in lUnicoruLu^frytA СШс1 rrwtcbb. — Pfu^icOLj1976, V-. 84 В, p. 35-3-361.

54. Зил А. Ван дер. Шум. Источники, описание, измерение.-М.: Сов. радио, 1973, 228 с.

55. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика.- М.: Наука, 1976, 480 с.

56. Теплопроводность газов и жидкостей /Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Юрчак Р.П.- М.: Изд-во стандартов, 1970, 156 с.

57. Кочан М.Н., Галкин B.C., Фридяендер О.Г. О напряжениях, возникающих в газах вследствие неоднородности температуры и концентрации. Новые типы свободной конвекции.- Успехи физических наук, 1976, т.119, вып.1, с. III-I26.

58. А.С. 634II7 (СССР). Болометр /В.И.Адерихин, В.П.Беккеров, В.И.Пругло.- Опублик. в Б.И., 1978, гё 43.

59. Фрушин В.Д. Особенности работы термисторов при воздействии на них импульсного с.в.ч. сигнала.- Измерительная техника, 1961, №3, с. 45-51.

60. Беккеров В.П. О-нелинейности преобразования болометрического смесителя.- Исслед. в обл. радиотехнич. измерений: Труды/ВНИИФТРИ М., 1977, в.33(63), с. 30-38.

61. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е. Исследование термодинамических свойств веществ.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, 559 с.

62. RuMscoj{ С. L. Some i^oad- kxsul Ьсалпл^оъм&сь. -Ptoc. IRE,1959, гд 47, л/8, p. 1337-1342.

63. Мовшович М.Е., Полупроводниковые преобразователи частоты.-Л.: Энергия, 1974, 336 с.

64. Кейнат Г. Электрические приборы дяя измерения температуры.-Л.: Научн. химико-технич. изд-во Всехимпром ВСНХ СССР, 1930, 301 с.

65. Бунимович В.И. флюктуационные процессы в радиоприемных устройствах.- М.: Советское радио, 1951, 360 с.

66. Биргер Л.А. Погрешности измерения ослабления супергетеродинным методом.- Радиотехнические измерения: Тр.ин-тов Комитета / Комитет стандартов, мер и измерительных приборов:;при Совете Министров СССР.- М., I960, в.44(104), с. 10-27.

67. HicUuA B.O.,So>tftx £ V.,Rjouff S.f. CaM^nxiXion orf isLfynaJ (^иипмХ&т output v-fMccyz Ln tasLgje of {00 to iOOO тг^ас^сЫ.-IRE Тгалы., /958, V. p. 275-2.79.

68. Адерихин В.й., Беккеров В.П. Поверочная установка высшей точности для измерения ослаблений в диапазоне частот0,01 100 МГц.- Измерительная техника, 1979, № 9, с.66-68.