Шумовая температура мшу в кельвинах

Коэффициент шума и шумовая температура

В документации изготовителя аппаратуры значение коэффициента шума LNB обычно приводится в децибелах. Данное значение можно преобразовать в соответствующее значение фактора шума при помощи следующего соотношения:

Величина фактора шума может быть подставлена в следующее выражение, для того чтобы получить эквивалентную шумовую температуру, которая является альтернативным способом определения шумовой характеристики LNB:

Коэффициент шума и шумовая температура (при температуре окружающей среды 290 К)
Коэффициент шума, дБ Шумовая температура, К
0,00 0,00
0,10 6,75
0,20 13,67
0,30 20,74
0,40 27,98
0,50 35,39
0,60 42,96
0,70 50,72
0,80 58,66
0,90 66,78
1,00 75,09
1,10 83,59
1,20 92,29
1,30 101,20
1,40 110,31
1,50 119,64
1,60 129,18
1,70 138,94
1,80 148,93
1,90 159,16
2,00 169,62
2,10 180,32
2,20 191,28
2,30 202,49
2,40 213,96
2,50 225,70
2,60 237,71
2,70 250,01
2,80 262,58
2,90 275,45
3,00 288,63

Представленые в таблице данные, полученны с помощью компьютера. Они показывают соотношения между коэффициентом шума и шумовой температурой при температуре окружающей среды 290 К. Результаты приведены на графике:


Коэффициент шума и шумовая температура (при температуре окружающей среды 290 К).

Для того чтобы получить коэффициент шума из эквивалентной шумовой температуры, следует воспользоваться двумя обратными выражениями:

Источник

Об измерениях шума на 10 GHz

Почему этот диапазон? В принципе, многое из сказанного можно отнести и к другим СВЧ диапазонам с некоторыми корректировками. Постараюсь все написать так, чтобы из текста было ясно, какие моменты критичны или чувствительны к диапазону, а какие нет.

Занимался этим диапазоном последние несколько лет. Он оптимален для DX-связей на СВЧ: поглощение этих частот в атмосфере сравнительно невысокое, уровень рассеяния на осадках по сравнению с более низкочастотными диапазонами (5.7 GHz) выше, улучшение тропосферного рассеяния при грозах делают его привлекательным для наземной связи. Шум неба на этом диапазоне невелик, не намного хуже по сравнению с диапазоном 1296 MHz, в основном, за счет несколько больших потерь в атмосфере. При этом на 10 GHz практически нет индустриальных помех и шумов, мобильной связи, GSM, Wi-Fi и т.п., а используемые антенны узконаправленные, обычно параболические. Деградация на EME трассе на этом диапазоне выше, а доплеровский сдвиг больше, однако первое компенсируется большим усилением парабол при тех же или даже меньших размерах. В общем, диапазон 10 GHz кажется привлекательным для работы, если, стартуя с 23 cm, двигаться вверх по частоте.

Отсутствие индустриальных помех снижает требования к приемным устройствам, МШУ, наличию дополнительных узкополосных фильтров в трактах приема и их динамике. За исключением одного фактора, коэффициента шума. Прием слабых сигналов на любом диапазоне определяется чувствительностью системы, и ее улучшение за счет снижения коэффициента шума приемника это первый и сравнительно недорогой способ двигаться в этом направлении.

Ориентиры по коэффициенту шума на сегодня это цифры 0.7 dB для EME LNA от DB6NT, современные полевые транзисторы могут по заявленным в их datasheets параметрам достичь цифр NFmin=0.35 dB у их затвора (с deembeding, т.е. без учета потерь во входных цепях и за стоком транзистора). Т.е. если стараться улучшить показатели 0.7 dB, то речь может идти о десятых dB.

Попытка улучшить коэффициент шума на десятые dB сталкивается с проблемой измерения, погрешность шумомеров оказывается порядка тех самых десятых, которые мы хотели бы отыграть. На рис. 1 показаны результаты Uncertainty Calculator от Rohde&Shwarz 1 для сравнительно благоприятного случая измерений коэффициента шума.

Что нужно вводить в качестве исходных данных для расчета в основном понятно, как считается погрешность можно посмотреть в препринте Rohde&Shwarz. Вопрос у меня вызвала только цифра «SA NF Unc», результат оказывается довольно чувствительным к ней. Она отражает неопределенность коэффициента шума измерителя, т.е. следующего за измеряемым устройством DUT каскада в тракте, внешний усилитель «Ext PA» для снижения коэффициента шума измерителя был включен. Брал ее исходя из результата калькулятора, когда все касающиеся DUT цифры (NF, Gain) нулевые, а VSWR DUT единичные, т.е. как ошибку в определении NF измерителя-анализатора при его калибровке. Но вне зависимости от этой цифры понятно, что на погрешности измерений в целом влияет и погрешность калибровки ENR источника шума, причем, напрямую, влияет рассогласование источника и измеряемого DUT, а добиться хорошего КСВ источника на 10 GHz сложнее, чем на более низких частотах. И речь будет идти о погрешности порядка десятых dB.

В качестве «горячей» температуры использовал листы итальянского пенного СВЧ поглотителя, располагаемые в секторе главного лепестка рупора так, чтобы перекрыть по возможности весь сектор, не приближаясь к самому рупору ближе 1-2 lambda. Ожидал, что его шумовая температура близка к температуре физической, естественно, с какой-то погрешностью, связанной с неидеальностью поглотителя и тем, что прямо у окна, там, где располагается устройство, может быть немного теплее по сравнению с температурой у наружной стенки, где удобно расположить термометр, или температурой воздуха из данных метеослужб. На фото рис. 3 видно, что измерения были зимой, поэтому поглотитель оставлял за окном на некоторое время: пористая структура может замедлять его остывание до окружающей температуры.

Читайте также:  У ребенка поднялась температура на фоне приема антибиотиков

6 K, всего шум неба с учетом атмосферы

Широкая диаграмма рупора, принимающая шум с многих направлений, что-то обязательно зацепит как с горизонта, так и со стены дома. Что-то рупор примет из земли и окружения своими задним и боковыми лепестками, даже если расположить его вертикально вверх, когда весь главный лепесток смотрит в небо. Кроме того, стоит учесть, что атмосферный вклад в «холодную» температуру неба зависит от угла наклона: при разных углах наклона будет разная величина ослабления, а направленный в небо рупор видит разные по толщине слои шумящей атмосферы.

Зная диаграмму рупора все это можно учесть, и такая работа была проделана. По возможности точно посчитал диаграмму на HFSS10 насколько позволяют вычислительные возможности уплотнять сетку расчета, см. прил. 1. Сделано суммирование по слоям (по углу наклона с шагом 9 o ) шума неба в секторе 0-90 o (табл. 1) с учетом усиления диаграммы, данные по ослаблению в атмосфере и вносимому ею вкладу в шум неба взяты по калькулятору VK3UM. Результат суммирования по диаграмме рупора дает шум неба 9.9 K.

Таблица 1. Шум неба, Thorn in при разных углах наклона
(WX: 4 o C, влажность 59%, 1018.3 гПа, ясно).

Источник

Коэффициент шума. Теория и практика измерений

Развитие современных цифровых систем связи, которое шло усиленными темпами все последнее десятилетие, стало возможным во многом благодаря тому, что современные ВЧ- и СВЧ-устройства оказались в состоянии принимать и обрабатывать более слабые сигналы, чем раньше.

Введение

Чем более слабые сигналы приходится обрабатывать в цифровых системах связи, тем большее значение приобретают такие параметры, как уровень бит-ошибок, который непосредственно зависит от чувствительности тракта обработки сигнала и, конечно, коэффициента шума. Из перечисленных параметров коэффициент шума интересен в том плане, что его можно использовать не только как критерий оценки работы всей приемной системы в целом, но и как ключевую характеристику отдельных СВЧ-компонентов, таких как усилители и смесители, которые образуют эту систему. Если разработчик контролирует коэффициент шума и усиление отдельных каскадов приемной системы, то это означает, что он контролирует всю систему в целом. Если величина коэффициента шума известна, то рассчитать чувствительность всей системы, зная полосу обработки сигнала, не составит труда. Именно коэффициент шума — это зачастую тот параметр, который выгодно отличает одно приемное устройство от другого, один усилитель от другого, один транзистор от другого. Тот факт, что без использования понятия коэффициента шума сегодня сложно представить спецификацию на приемное устройство, подразумевает, что точность и повторяемость измерения данного параметра особенно важны при разработках и производстве СВЧ-устройств.

Измерение шумов некого электронного устройства — важная процедура для минимизации шума, генерируемого этим устройством в приемных системах. Основным способом снижения вероятности бит-ошибок при приеме и обработке цифровых потоков является усиление полезного сигнала электронными устройствами, которые имеют низкий уровень собственных шумов. Традиционные методы увеличения соотношения полезного сигнала к шуму заключаются, с одной стороны, в увеличении мощности сигнала, передаваемого в направлении приемника, а с другой — в увеличении усиления приемной антенны. Подобные способы связаны с известными трудностями, поскольку увеличение мощности сигнала передатчика ограничивается законодательно соответствующими контрольными органами, а увеличение усиления в антенне обычно связано с необходимостью разработки более дорогой и более громоздкой антенной системы. Альтернативным способом увеличения соотношения полезного сигнала к шуму является минимизация коэффициента шума приемной системы и ее компонентов. Таким образом, измерения коэффициента шума абсолютно необходимы, чтобы иметь уверенность в том, что шум, вносимый элементами приемной системы, допустимый.

Основная задача данной статьи — рассмотрение способов оценки коэффициента шума электронных устройств при помощи современных измерительных приборов. При этом мы покажем возможность измерения коэффициента шума при помощи анализатора спектра «СК4-БЕЛАН 32», который укомплектован соответствующей опцией.

Для четкого понимания смысла подобных измерений и правильной интерпретации их результатов необходимо напомнить, что скрывается под термином «коэффициент шума», а также что подразумевают связанные с ним понятия (эффективная шумовая температура, Y-фактор, избыточный коэффициент шума и т. д.).

Теория

Шум, с которым мы имеем дело на практике, состоит из многих составляющих. Основные из них — это тепловой и дробовой шумы. Тепловой шум возникает при флуктуациях электронов в проводниках, имеющих некую конечную температуру. Некоторые из таких флуктуаций могут иметь спектральные составляющие в той же полосе частот, что и полезные сигналы, то есть их маскировать и затруднять их обработку. Шумовой спектр, генерируемый тепловым шумом, по своей природе однороден на всех частотах. Дробовой шум возникает из-за квантовой стохастической природы электрического тока. Ток не представляет собой непрерывного и предсказуемого движения электронов, а скорее является хаотическим потоком со случайным их распределением. Статистический анализ стохастического потока электронов показывает, что вариации тока имеют широкополосный характер (распределены вширокой полосе частот). Есть и другие природные феномены, которые имеют квантовую структуру и генерируют случайный шум. Примером может служить шум генерации и рекомбинации основных носителей, возникающий в транзисторах при распределении тока эмиттера между базой и коллектором. Несмотря на многообразие источников шума, у всех механизмов генерации шума есть одно свойство, общее с тепловым шумом: они имеют однородный спектр, равномерно распределенный в полосе частот до 5000 ГГц. Поэтому при оценке шума все его источники принято рассматривать как тепловой шум. Мощность теплового шума определяется как:

Читайте также:  Заливка стяжки при минусовой температуре

где PA — доступная мощность (Дж/с или Вт); k — постоянная Больцмана (1,38×10 –23 Дж/К); T — абсолютная температура (К); B — полоса частот (Гц).

Важно помнить, что k×T×B — это «доступная» мощность. То есть она «доступна» только при оптимальной (согласованной) нагрузке (если нет отражения энергии).

Определение k×T×B позволяет интуитивно лучше понять природу шума. Постоянная Больцмана k характеризует среднюю величину выделяемой кинетической энергии на единицу температуры. Присутствие в формуле температуры T предполагает, что с ее ростом выделяется больше мощности. Ну, и поскольку шум имеет широкополосную природу, в формуле мощности шума фигурирует B — используемая полоса частот.

Абсолютную температуру в 290 К (обычно обозначается как T) принято считать опорной величиной источников шума при измерениях коэффициента шума. Эта величина соответствует 16,8 °С и 62,3° по Фаренгейту. Спектральная плотность тепловых шумов k×T, генерируемая резистором на согласованную нагрузку в каждом герце электромагнитного спектра при данной температуре, равна 4×10 –21 Вт или –174 дБ·м.

Неотъемлемой частью определения коэффициента шума является понятие «соотношение сигнал/шум». Этот термин интуитивно понятен, особенно если перейти к логарифмическим соотношениям. Поясним данный термин на простом примере. Допустим, мы имеем сигнал (S) с уровнем 10 мВт (+10 дБ·м). Чему равно теоретическое соотношение «сигнал/шум», измеряемое в децибелах, для данного сигнала в полосе 1 МГц при температуре 290 К? Сначала рассчитаем мощность шума (N) в полосе 1 МГц:

Теперь вычислим соотношение «сигнал/шум»: S/N = (+10–(–114)) = 124 дБ.

Заметим, что соотношение «сигнал/шум» выражается просто в дБ. Хотя и мощность шума, и сигнал первоначально были в логарифмическом масштабе относительно 1 мВт.

Уяснив термин «соотношение сигнал/шум». мы можем перейти к определению понятия «коэффициент шума». Этот коэффициент описывает уменьшение соотношения «сигнал/шум» по мере прохождения сигнала через приемное устройство или его отдельный каскад (усилитель, смеситель). Фундаментальное определение коэффициента шума следующее:

где Sin / Nin — соотношение «сигнал/шум» на входе устройства; Sout / Nout — соотношение «сигнал/шум» на выходе устройства.

Поскольку все электронные устройства «шумят» и, соответственно, добавляют некое количество шума к сигналу, величина F всегда больше единицы. Хотя величина F исторически называлась коэффициентом шума, современный термин «коэффициент шума» (децибельная величина NF) обычно подразумевает логарифмический масштаб величины F, равный 10 log10F (дБ). В зарубежной специальной литературе, публикуемой ведущими производителями измерителей коэффициента шума (Agilent Technologies, Anritsu, Rohde & Schwarz) последовательно разграничиваются два термина: «фактор шума», или F, и, собственно, коэффициент шума NF. Итак,

Рассмотрим коэффициент шума некоего известного усилителя. На рис. 1 показана его условная схема, а также сигналы на его входе и выходе.

Если мы подключим к входу усилителя согласованную нагрузку при температуре 290 К, то она будет генерировать на входе усилителя шум k×T×B. На выходе этот шум усилится и превратится в k×T×B×G (G — коэффициент усиления усилителя) плюс к нему добавится некое количество шума, генерируемого в самом усилителе NA. Тогда выражение (2) можно переписать следующим образом:

Выражение (4) является определением коэффициента шума, которое официально принято международным Институтом Радиоинженеров (сейчас Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)).

Если опираться на уравнения (4) и (5), то видно, что измерения коэффициента шума сводятся к измерениям уровня шума, коэффициента усиления и полосы. Однако, несмотря на понятность данных величин, в практических измерениях формулами (4) и (5) пользуются не так уж часто (хотя использовать их можно, о чем мы расскажем ниже). Это связано с тем, что измерить с большой точностью усиление в заданной полосе — зачастую не тривиальная задача. Большинство систем измерения коэффициента шума элегантно обходят задачу прямого измерения уровня шума и усиления, основывая алгоритмы своей работы на использовании, в первую очередь, линейных свойств тепловых шумов.

Таким образом, PA(T) = k×B(T)+0 = k×B(T). При постоянной величине полосы, которая нам известна, это уравнение позволяет рассчитать мощность теплового шума для любой абсолютной температуры, то есть полностью описывает характеристики теплового шума. Поскольку прямая определяется двумя точками, то для описания характеристик теплового шума нам фактически лишь нужно взять две температурные точки и провести в них два измерения мощности шума. Если мы произведем измерение мощности на выходе некоего устройства (например усилителя), подключив к его входу согласованную нагрузку (генератор шума) при температуре T = 290 K, то уравнение для мощности P1 можно записать в таком виде:

Читайте также:  Как изменяется активность ферментов слюны при понижении температуры пищи

Затем предположим, что мы нагрели согласованную нагрузку (включили генератор шума) до значения THOT = T+TEX и снова измерили мощность P2 на выходе усилителя. Уравнение для мощности P2 будет иметь вид:

Отношение мощностей P2 / P1 исторически называется «Y-фактором» или Y (по-видимому, в связи с тем, что значения мощностей графически откладываются на оси Y — рис. 2).

Величину TEX/T или (THOTT)/T обычно называют избыточным коэффициентом шума, или ENR (excess noise ratio), и производители источников шума нормируют ее в дБ. Формула (8) чаще записывается как:

в логарифмическом виде выражение для коэффициента шума имеет вид:

Часто при измерениях коэффициента шума может использоваться другое понятие, которое также является фундаментальным, — понятие «эффективной температуры шума». Любой инженер, занимающийся измерением коэффициента шума, должен четко понимать взаимосвязь понятий «коэффициент шума» и «температура шума».

Что же такое температура шума? Если 50-омный резистор с температурой 290 К подключен к входу идеального (не имеющего шумов) приемника с сопротивлением входа 50 Ом (рис. 3), то мощность шума на входе такого виртуального приемника составит:

А теперь представьте себе тестируемое устройство, например усилитель, подключенный в разрыв между 50-омным резистором и идеальным приемником (рис. 4).

Шум на выходе тестируемого устройства теперь включает две составляющие. Одна из них — это усиленный шум резистора с температурой 290 К. Другая составляющая — это шум, генерируемый самим тестируемым устройством. Обратите внимание, что приемник не может различить эти две составляющие шума. Для приемника результат измерения был бы тем же, если бы тестируемое устройство было идеально и не генерировало шума, а резистор, подключенный к входу устройства, был нагрет до некоторой более высокой температуры (290+Te ) К. В сущности, реальное тестируемое устройство может быть промоделировано как идеальное устройство, не вносящее шума, но имеющее на входе дополнительный источник шума с эквивалентной температурой Te. Это — эффективная температура шума тестируемого устройства (или эквивалентная температура шума тестируемого устройства).

Преимущество понятия эффективной температуры шума заключается в том, что это понятие подводит общее основание под измерения случайного электрического шума, генерируемого любым источником: от транзистора на основе технологии GaAs до галактики. Есть много разновидностей электрического шума, и большинство из них не имеют тепловой природы. Однако все виды случайного шума можно выразить как эквивалентное количество теплового шума, который генерировался бы при температуре Te. Обычно слово «эффективная» или «эквивалентная» в сочетании с «температурой шума» опускается и традиционно употребляется выражение «температура шума».

Поскольку мощность теплового шума PА прямо пропорциональна температуре T (что следует из уравнения (1)), то значения температуры шума можно складывать, точно так же, как значения мощности шума при условии, что полоса B не меняется.

Дополнительно прояснить понятие температуры шума можно при помощи графического представления функции мощности шума от температуры (рис. 5).

Связь между фактором шума (коэффициентом шума) и температурой шума описывается следующим выражением:

В таблице даны некоторые значения для F, NF и Te. Можно запомнить, что 0,1 дБ приблизительно соответствует 7–7,5 K.

Перед тем как перейти к практике измерений коэффициента шума, совершенно необходимо коснуться еще одного теоретического аспекта — определения коэффициента шума и температуры шума в многокаскадных системах. На рис. 6 показано, как генерируется шум в многокаскадной системе.

Шум на входе показан как резистор с температурой T. Каждый каскад характеризуется своей полосой B, усилением G и вносимым шумом NА. Фактор шума системы задается следующим уравнением:

Выражения (13) и (14) обычно называются каскадной формулой Харальда Фриса. Обратите внимание на то, что полоса B не фигурирует в уравнениях (13) и (14). Это демонстрирует преимущество методов, основывающихся на понятиях коэффициента шума и температуры шума: они не зависят от полосы.

Величина [(F2–1)/G1] в уравнении (13) часто называется эффектом второго каскада. Если усиление в первом каскаде большое, то эффект второго каскада будет минимальным, так что общий фактор шума F12 будет определяться фактором шума первого каскада F1. Вот почему приемник с высокой чувствительностью практически всегда начинается с малошумящего усилителя с малым коэффициентом шума (с предварительного усилителя).

Уравнение (14) можно переписать таким образом, чтобы найти F1, если другие значения известны:

Это же уравнение, выраженное через температуру шума, имеет вид:

Уравнения (15) и (16) являются основой для большинства автоматических анализаторов коэффициента шума и прочих подобных приборов. Тестируемое устройство всегда является первым каскадом, а прибор, к входу которого подключается тестируемое устройство, является вторым каскадом.

Окончание следует

Источник

Поделиться с друзьями
Лечение простудных заболеваний
Adblock
detector