Mikrohullámú oszcillátorok 1 31 és AM zajának mérése a kettős TE m. módon működő diszkriminátor segítségével. fí 1 (T) (4) = AfK2 D

Átírás

1 A L E K S Z A N D R D. M E N J A J L O BME Mikrohullámú Híradástechnika Tansék Mikrohullámú oscillátorok 1 31 és AM ajának mérése a kettős TE m módon működő diskriminátor segítségével ETO : Oscillátor ajmérésének technikájával sokan foglalkotak [Íj, [2], [3], [4], [7] stb. A CW magnetron oscillátort visgálva még D. Middleton [1] mutatta be, hogy a oscillátor ajvisgálatának legjobb útja a aj sétbontása AM és FM komponensekre. I. A aj mérési elve A oscillátor aj modulációja jól leírható a komplex analitikus jel segítségével. A mikrohullámú GW oscillátor kimenő jele kifejehető, mint egy ajjal amplitúdó- és frekvencia- modulált vivőhullám. Vagyis U(t = Re{A(t-ei 0 ( t >} (1 ahol A(t valamely stochastikus folyamat időfüggvényei. Általában A(t és 6{t korreláltak és eenkívül a kettő köött % időkésés létehet. Vagyis U(0 = Re{A 0 [l+vio + #]-e 01} (2 ahol t (/ és 2 {t a modulációt okoó ajok. Aj és A 2 a moduláció mélységére jellemő állandók. A korreláltságból követkeik, hogy a (2 képlet serinti jel teljesítménysűrűség spektruma <x> v -re néve asimmetrikus. A asimmetria mértéke annál nagyobb, minél nagyobb A, és minél kisebb Ily módon egy, ajjal vegyesen modulált sinusos vivő spektruma a 1. ábra folytonos vonala serinti lehet. Ha Zj_(t és 2 (t modulációt okoó ajok Gauss- Beérkeett: XII. 21. folyamatok, X i pedig kicsi, akkor a korreláció elhanyagolható, ami a spektrum simmetriájáho veet (1. ábra, saggatott vonal. Ekkor a oldalsávok teljesítménye független AM és FM ajkomponensekből tevődik össe. A amplitúdómoduláció méréséhe a jelet amplitúdódemodulátorra kell adni. Ha a demodulátor karakteristikájának a munkapont körüli meredeksége (mely függvénye lehet a vivőhullám teljesítményének KAD du ki = - ÚA akkor a demodulátor kimenetén megjelenő jel: a(t = Ennek megfelelő teljesítmény: 3 AM=T^ O(0 = A K AD -A (r 2. 1.,(t ahol R a (0 a a(t stochastikus folyamat autokorrelációs függvénye a t = 0 helyen. R x (t a ^(t folyamat autokorrelációs függvénye, r a demodulátor terhelő ellenállása. PAM a t a teljesítményt jelenti, amely kiárólag a AM miatt lép fel a demodulátor kimenetén. A 2 - vivő teljesítményt jelent, és ekkor a aj/vivő visonya: (3 AM _ = AfK2 D fí 1 (T (4 Ha most a (2 képlet serinti jelet frekvenciádémodulátorba veetjük, amelynek karakteristikameredeksége a munkapontnál K FD = ÚA(J áf /=/» ahol A(f a diskriminátornak a vivő-teljesítménytől függő karakteristikája, akkor a demodulátor kimenetén megjelenő jel d 2 (/ b(t = K FD.?. 2 át Ahol b{t stochastikus függvény, melynek megfelelő teljesítmény: \H265-MA1\ 1. ábra. Zajjal vegyesen modulált sinusos vivő spektruma (folytonos vonal korreláció esetén, saggatott vonal a korreláció elhanyagolása esetén r demodulátor terhelő ellenállása, d 2 (5 201

2 HÍRADÁSTECHNIKA XXV. ÉVF. 7. SZ. R b (0 a b(t stochastikus folyamat autokorrelációs függvénye, a T = 0 helyen. J? 2 (T a 2 (0 stochastikus folyamat autokorrelációs függvénye. A demodulátor kimenetén megjelenő effektív ajfrekvencia-löket a (5 egyenletből határoható meg. d 2 dr 2 (6 P F M at a teljesítményt jelenti, amely kiárólag a FM miatt lép fel a detektor kimenetén. Valóságban, vegyes moduláció esetén, a frekvencia demodulátor kimenetén X,-től függő ajteljesítmény is fellép. Á gyakorlati esetekben aonban X 1 nagyon kicsi, és eért a AM aj hatása FM aj mérése köben elhanyagolható. Ily módon, mint a (6 képletből látható, a FM ajból eredő Af ZJ,jj löketet, a P FM teljesítményt mérve határohatjuk meg. Semléletes ábráolást tes lehetővé, és a mérőrendser hitelesítéséhe követlenül felhasnálható össefüggésekre veet, ha a egés aj spektrumát sétbontjuk AB sélességű sávokra és eekben a sávokban külön-külön visgáljuk a ajt. (Feltételeük, hogy a spektrumkomponensek függetlenek. A ajteljesítmény a AB sélességű sávban sinusos fesültséggel helyettesíthető, aminek ugyanolyan teljesítménye van, mint a AB sélességű sávban levő ajnak. A vivő és egy elemi sinusos jel (pl. co v +Q m a követkeő formában fejehető ki: [/(O x =Re{U v e> m «'+ u m em m *+ a y+ & ">} ahol 0 m kedeti fáis. Ha U M <K~U v (kis jel köelítésben, akkor U(i\=U v cos vagy a másik formában: ahol U l+^cos(í2 m f + 0 m u v u U(t\=U(t- cos<p{t, U(f=U t 1 + ^ cos (Q m t+o m v <p(t = mj + ^p sin (ÜJ + 0 m (7 (7a (7b A C7(íj_ jelnek U(t tagja amplitúdómodulációt, a (p(t pedig sögmodulációt mutat. Et a jelet vektor formában úgy ábráolhatjuk, mint egy pár simmetrikus (amplitúdómoduláció és egy pár antisimmetrikus (frekvenciamoduláció oldalsáv eredője (2a, 2b, 2c ábra. Ha a (7 képlet serinti jel AM demodulátorra jut, akkor annak kimenetén a egy oldalsávból megjelenő teljesítmény a (3 képlet serint a követkeő les: P (Ujr v r I U r "AMI 2 ' KAO-R^X i?x(t a ^t folyamat autokorrelációs függvénye. Definíció serint: ^(T^lim ~ Esetünkben: -r J ^(O-^ + ^dí = lim i?(/dí PAMI - 2 R - T Két oldalsávon levő teljesítmény PAM Zaj/vivő visonya pedig T U 2 ÍU ^2 (8 (9 (10 Hasonló módon, ha a (7 képlet serinti jelet frekvencia demodulátorra adjuk, akkor a kimeneten megjelenő teljesítmény: FM1 r FD d 2 dr 2 U r 1 Ül A két oldalsávból sármaó kimenő teljesítmény PFM ^ in \ 17. A modulációból létrejövő effektív löket: - effd 2,, A T = 0 (11 ím (12 a T + c ^ \H265-MAZ\ 2. ábra. Vivő és egy oldalsáv vektor ábráolása vegyes sinusos moduláció esetén, a Egy oldalsáv és egy vivő, b AM komponensek, c FM komponensek 2. A aj mérési módserei A oscillátor aj mérésére különböő módserek ismeretesek [4]. Eek köött legrégebbi a teljes aj mérése. A módser lényege, hogy a ajspektrumot kisfrekvenciás ( MH tartományba transformáljuk, ahol a mérés már sokkal egyserűbb. A transformáció stabil helyi oscillátor segítségével történik. E módsernek a a hátránya, hogy a helyi oscillátornak nagyon stabilnak kell lennie, és speciális módsereket kell alkalmani, hogy a helyi oscillátor aja a mérést ne avarja. E a módser eenkívül kevés információt ad a aj termésetére. 202

3 A. MEN.IAJLO: MTKROHUT.TAMŰ OSZCILLÁTOROK ZAJÁNAK MÉRÉSE A AM aj mérésére lehetőséget ad, hogy egy keverő kimenetén a oldalsávok és a vivő kikeveredése folytán csak a AM produktumok jelennek meg, feltéve, hogy a FM modulációs index kicsi. Ilyen módon a AM aj komponensek a FM-től sétválasthatok, majd amplitúdódemodulátor után kisfrekvenciás módserekkel visgálhatók. A mikrohullámú oscillátoroknál általában a FM aj dominál, eért érdemes olyan rendsert terveni, amely mindkét, AM és FM ajkomponens mérésére alkalmas. Modern mikrohullámú ajmérő módsereknek a alapja Marsh és Wiltshire [7] javasolt módsere. Módserük lényege, hogy a visgálandó jel két résre ostódik sét. Egy rés referens jelként, a másik frekvenciától függő körön (pl. üregreonátor vissaverődve, fáisérékeny demodulátoron össehasonlításra kerül. A fáisdemodulátorban a össehasonlítás kisebb frekvencián általában könnyebb, eért a referens és a vissaverődött jeleket kisebb frekvenciára keverik. Erre a célra nagyon stabil (autonóm generátort és kiegyenlített keverőket hasnálnak. A módser blokksémája a 3. ábrán látható. A üregreonátort a oscillátor frekvenciáján illestjük a iránycsatolóho, így a róla vissaverődött vivőhullám teljesítménye elvileg nulla. A AM és FM ajvektor ábráolásából láthatjuk, hogy ha a FM jel oldalsáv vektorai egy adott fáisnál a vivőre merőlegesek, akkor a AM oldalsávvektorok a vivő irányába mutatnak. Ily módon a oldalsávvektorok fáisait a referens jel fáisával fáisdemodulátoron össehasonlítva a oscillátor AM aját a FM ajtól sét lehet válastani. A módser érékenysége bionyos módosításokkal [3], [5], [7].- elég nagy lehet. Pl. FM aj esetén Schottky barrier diódákkal 1 kh vivőtől való eltérés, 400 mw bemenő teljesítmény esetén, a legkisebb mérhető ájlöket 1 H sávsélességben 0,05 H. A érékenység csökken a vivőhö köelítve. Mint a előbbi módsernek, ennek a módsernek is hátránya a, hogy a helyi oscillátornak igen nagy stabilitásúnak kell lennie, ami mikrohullámon nem mindig érhető el egyserűen. A üregreonátort minden mérés előtt illesteni kell (ettől lényegesen függ a rendser érékenysége, ami soksor elég nagy idővesteséget jelent. 3. TE 1 U kettős módon működő üregreonátor alkalmaása ajmérésre AM és FM ajmérésre úgyneveett kettős TE m módon működő üregreonátorral épített rendser hasnálható. A hengeres üregreonátor TE 1 U módusának hullámegyenletei a (hengeres, r, a, koordináta-rendserben a alábbiak [6]. H mi =H^I x (xr COS. oc sin X H mr = H n luxr C? S a cos X m 0 x 'sm X I^xr - sin Hm, = H 0^ - a cos X " x 1 r cos. co 0 fi I t (xr -sin. E mr = - ]H 0 ^ a sin X 7 cos Em^jH^ cos /í(xr^ a sin X ahol Ii(xr első rendű Bessel-függvény. x - n 1»0 = y 2n R + \l } (13 (14 Visgálandó oscillátor _ Illesteft terhelés. Iránycsatolá Fáistoló Erősítő Kiegyenlített ''tett ÍV keverő s ~V 1 Stabil, helyi, oscillátor Ostó 'rdnycsatolö T Fais-érelsnu Spektrum kiegt analiátorho Váltotathato i rövidár Kiegyenlített _ \ keverő \/Erősítő 3. ábra. Marsh és Wiltshire javasolt módserének blokksémája Nagya-jú tireg- ' reonátor 203

4 HÍRADÁSTECHNIKA XXV. ÉVF. 7. SZ. ahol A n Ií(xr Bessel-függvény differenciálhányadosának gyöke, R a üreg sugara, / a üreg hossa. (14-ből látható, hogy a frekvenciát két módon váltotathatjuk: / és fi váltotatásával. A TE m típusú hullám meő-eloslása a 4. ábrán látható. Megfigyelhető, hogy a regésnek adott polariációja van, ami at jelenti, hogy ha pl. a 4. ábra serinti polariációt hounk létre, akkor a elektromos vonalak a A" síknál a legsűrűbbek. A A" síkban elhelyekedő csavar befolyásolja a reonáns frekvenciát, ugyanakkor a B" síkban levő kis hangolócsavar nem hat a frekvenciára. Ily módon, ha et a regést két egymással merőleges komponensre bontjuk sét, akkor bionyos helyeken elhelyekedő hangolócsavarokkal külön-külön befolyásolhatjuk a reonáns frekvenciát a két komponensre. A (13 egyenletrendserből ± -j sögre elfordult síkra vonatkoó komponenseket kaphatunk. Eek: H m = H n I 0 (xr * j ± sin X 2 /.kimenet Bemenet /.kimenet 5. ábra. Kettős TE n l módon működő üre!»reotiátor (a és helyettesítő képe (b egy módusho csatlakonak, akkor ennek a üregreonátornak a helyettesítő képe a 5ö ábra serinti. A két kimenetet mikrohullámú diódákon kerestül differenciálerősítő két bemenetére csatlakotatva, és a erősítő kimeneti jelét kisfrekvenciás spektrumanaliátorral visgálva, a FM ajra vonatkoó eredmények kaphatók. A FM ajt mérő rendser blokksémája a 6. ábrán látható. H mr m r = H n U(xr. 0 1V x /sin ±- 4 cosx X h(xr sin /, n\ sin X A (15 egyenletek rendsere két egymással merőleges síkban levő regést feje ki. Ha a gerjestőhurkok és hangolócsavarok a 5a ábra serint helyekednek el, akkor a két regésnek a reonáns feltételei külön-külön bitosíthatók. E pedig at jelenti, hogy egy üregreonátorban a két regésre más-más co 01 és co ü2 reonáns frekvencia léteik. Ha a energia kiveetése úgy történik (pl. hurkokon kerestül, hogy a csatoló hurkok csak egy- 4. Gyakorlati eredmények leírása A 6. ábrán látható rendsert késítettük el és visgáltuk meg a mikrohullámú X sávban. A üregreonátor adatai a követkeők: A átmérő-hossúság visonyát 2JÍ/L = 0,496-ra válastottuk [8], A átmérő a (14 képlet alapján ekkor. 0,586, 2R=^-= VE,,,- 3,4127?, IcV amiből 10 GH-re 2J? = 19 mm L = 89 mm adódik. A energia be- és kicsatolása kis átmérőjű hurkokon kerestül jött létre. A differenciálerősítő kimenetén a karakteristika a 7. ábra serint adódott. A rendser kalibrációja céljából a visgálandó oscillátort hanggenerátorral frekvencia moduláltuk és a kimenő spektrumot mikrohullámú spektrumanaliátorral figyeltük meg. Felhasnálva a frekvenciamodulátor aon tulajdonságát, hogy tista sinusos moduláció esetén a vivő bionyos modulációs indexnél eltűnik, a első eltűnéshe tartoó frekvencialöket csúcsértéke: Afcsúcs = 2,4O5/ m0rf! t :j 1 A 1 ' \ '! f!! Ü. 2R. H \H26S-MAU\ Visgálandó oscillátor Hang generátor fi'- kontrol műser Kis frekven ciás spektrum analiátor \HZ65-MA6] 4. ábra. A T E m típusú hullám meőeloslása 6. ábra A l'm ajt mérő rendser blokksémája 204

5 A. MENJAJLO: MIKROHULLÁMŰ OSZCILLÁTOROK ZAJÁNAK MÉRÉSE 7. ábra. Differenciális erősítő kimeneti karakteristikája. MH V Vísintes léptek 5, függőleges 2 cm cm A rendser AM aj mérésére is alkalmaható. Ehhe a sükséges, hogy a két diódáról jövő jelet össeadjuk. Ekkor a erősítő kimenetén mérve a 9. ábra serinti frekvencia-amplitúdó karakteristika alakul ki. Ha a munkapontot a görbének a csúcsán válastjuk meg, akkor a rendser amplitúdó demodulátorként működik. Ily módon AM aj méréséhe elegendő átkapcsolni a két dióda kimeneteit úgy, hogy a aokból jövő jelek össeadódjanak. AM hitelesítés céljára speciális amplitúdómodulátort alkalmatunk. Egy csőtápvonalban diódával össekapcsolt hurok helyekedik el. A diódát hang- A így meghatároott csúcslöketekhe tartoó spektrumanaliátor kimenő fesültség a rendser hitelesítési görbét adja a adott oscillátor vivőteljesítményre. Erre vonatkoó adatok a 8. ábrán találhatók. A rendser alapérékenysége a saját ajtól és a bemenő jel teljesítményétől függ. A hasnált kisfrekvenciás analiátorban (C4 12 sovjet típus, három sávsélességben (B = 90, 30, 7 H lehet visgálni a jelet. Eekhe a sávsélességekhe tartoó analiátor kimenő fesültségeket (8. ábra bejelölve, a rendser alapérékenysége leolvasható. Et a 1. tábláatban külön is össefoglaltuk. Említésre CO 0 \H26S-MA9\ u 9. ábra. Erősítő kimeneti frekvencia-amplitúdó karakteristikája U k, [mv] 8. ábra. Analiátor kimeneti fesültsége a FM aj-löket függvényében érdemes, hogy a 0, 5, 10 dbm görbék mért eredmények, a 20 dbm-re érvényes görbét extrapolálással kaptuk. /. tábláat generátorral veéreltük. Mikrohullámú spektrumanaliátorral a AM moduláció mélységét meghatárotuk. A ismert modulációs mélységű jelet a AM ajmérő rendserbe adtuk. E mérés eredményei a 10. ábrán láthatók. Mint a FM aj esetén, a rendser alapérékenysége a saját ajtól és a bemenő jel teljesítményétől függ. Különböő sávsélességekre a rendser AM érékenysége a 2. tábláatban látható. Ily módon ha pl. a bemeneti jel teljesítménye P =20 dbm és a spektrumanaliátor sávsélessége B = 7 H, a minimális megfigyelhető aj/jel visony: -138 db. 1 1! 1! s? 8 Pv [dbm] B [H] Af [H] 2,3 1,6 0,7 12 8,5 3, A rendser FM ajra vonatkoó alapérékenységo Ily módon, ha például a bemeneti jel teljesítménye P =10 dbm és a spektrumanaliátornak a sávsélessége B=7 H, a minimális megfigyelhető csúcslöket / = 0,7 H OpSÖp'ÍCj ábra. Analiátor kimeneti fesültsége a AM aj/vivő visony függvényében 205

6 HÍRADÁSTECHNIKA XXV. ÉVF. 7. SZ. 2. tábláat P v [dbm] B [H] P [db] A rendser AM ajra vonatkoó alapérékenysége 11. ábra. A mérőrendser fényképe A mérőrendser (üregreonátor, detektorok, erősítő, üemmódkapcsoló, beállító műser fényképe a 11. ábrán látható. I R O D A L O M [1] D. Middleton: "Theory of phenomenological models and measurements of fluctuating output of GW magnetrons" IRE Trans. Electron Devices, vol. E D 1 pp February [2] B. G. Bosch and W. A. Gambling: "Techniques of microwave nőise mcasurement" J. Brit. Inst. Radio Eng. vol. 21. June pp [3] J. G. Ondria: "A microwave system for measurements oí AM and FM nőise spectra" IEEE Trans. Microwave Theory Techn. Vol. MTT 16 Sept pp [4] Mustács István: Mikrohullámú oscillátorcsövek ajának mérése. Híradástechnika XVIII. évf. 8. s. [5] J. Ashley C. B. Searles F. M. Palka: "The measurement of oscillator nőise at microwave frequencies" IEEE Trans. Microwave Theory Tech. Vol. MTT 16. No. 9. Sept pp [6] B. B. HMKOIlbCKHH «TeopilH 3JieKTpOMarHMTHOrO HOHH» Bwciiiaa uikojia, MocKBa 1961 r. [7] Marsh, S. B. Wiltshire, A. S.: "The use of a microwave discriminator in the measurement of nőise modulation on GW transmitters" Proc. IEEE vol pt. B. suppl. 23, pp May [8] Roger L. Fjerrtad: "A Compact Wide-Tuning Rangé, 15ual TE n l Mode Preselector" IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. Vol MTT 14 No. 9. September