ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 6, с. 66-69
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.373.9
РЕГУЛИРУЕМЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ШУМА К-ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
© 2012 г. В. Ю. Быков, Г. Н. Ильин
Институт прикладной астрономии РАН Россия, 191187, Санкт-Петербург, наб. Кутузова, 10 Поступила в редакцию 09.12.2011 г. После доработки 12.01.2012 г.
Представлены регулируемые генераторы шумового сигнала К-диапазона частот 18—37 ГГц на основе согласованных нагрузок, температура поглотителя которых поддерживается на заданном уровне с погрешностью не более ±0.007 К цифровой многоканальной системой термостатирования. Устройства просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и позволяют проводить калибровку шумовых параметров с.в.ч.-радиометров, а также исследовать их долговременную стабильность.
ВВЕДЕНИЕ
Для измерения и контроля шумовых параметров с.в.ч.-радиометров применяются генераторы шума (г.ш.) с известной спектральной плотностью мощности выходного сигнала, формирующие калибровочный сигнал, по которому определяют масштаб измеряемых сигналов. Г.ш. выполняются на основе полупроводниковых устройств или согласованных нагрузок с известной температурой поглотителя, которую можно варьировать в пределах от криогенных температур до сотен градусов и, следовательно, получать величину эффективной шумовой температуры калибровочного сигнала ("ступеньки") в пределах от единиц до сотен градусов [1, 2].
С точки зрения долговременной стабильности выходного сигнала г.ш. на основе согласованных нагрузок являются более предпочтительными. Мощность выходного сигнала такого г.ш. в рассматриваемом диапазоне частот определяется физической температурой поглотителя согласованных нагрузок, сравнительно легко поддающейся измерению с помощью современных средств. Таким образом, контроль стабильности уровня сигнала г.ш. на длительных интервалах времени сводится к температурным измерениям. Полупроводниковые г.ш. требуют, помимо температурного контроля, стабилизации электрических параметров устройств — стабилизаторов тока г.ш., модуляторов и т.д. Обеспечение стабильной работы таких устройств на практике — достаточно сложная задача [1—3].
В данной работе представлен вариант конструкции генераторов шума на основе согласованных нагрузок, успешно используемых авторами для оценки параметров с.в.ч.-радиометров К-и Кз-диапазонов длин волн [4]. С помощью разработанных устройств можно проводить измерения, не требующие быстрой коммутации калибровоч-
ного сигнала (шумовых параметров радиометра в пределах от 50—100 К до 300 К), анализировать долговременную стабильность коэффициента передачи радиометра и его зависимость от температуры окружающей среды, оценить нелинейность характеристики квадратичного детектора и др.
КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА ШУМА
Генератор шума представляет собой стандартную волноводную согласованную нагрузку, поглотитель которой выполнен из ферроэпоксида. В описываемой конструкции г.ш. использованы нагрузки от ферритовых волноводных вентилей ФВВ1-38 и ФВВ1-35В соответственно К- и К^-диапазона длин волн. Нагрузки отличаются хорошим согласованием и имеют в зависимости от образца (было использовано по 4 шт. каждого диапазона) к.с.в.н. = 1.1—1.12 в рабочем диапазоне длин волн волновода. Длина отрезка волновода нагрузки составляет 20 и 15 мм соответственно.
Основным требованием, предъявляемым к конструкции г.ш., является максимальное соответствие измеряемой датчиком температуры корпуса г.ш. (Тгш) температуре поглотителя согласованных нагрузок.
Выполнение указанного требования обеспечивается, в частности, формой и размерами поглотителя нагрузки. Поглотитель нагрузок выполнен в виде тонких (менее половины высоты волновода) экспоненциальных клиньев, частично заполняющих волновод, что облегчает его равномерный прогрев практически до температуры корпуса.
Кроме того, для обеспечения более равномерного прогрева поглотителя корпус нагрузки (отрезок волновода) помещен между двумя медными накладками, примыкающими к фланцу волновода, размером 29 х 29 х 7 мм. Схема г.ш. приведена
Датчик Теплоразвязывающий
температуры Нагреватель отрезок волновода
Медные накладки Изолирующая пленка
Рис. 1. Конструкция генератора шума.
на рис. 1. На поверхности медной накладки установлены транзистор нагревателя в корпусе Т0-220 и датчик температуры, представляющий собой микросхему измерителя температуры ADT7301 фирмы Analog Devices, установленную на поли-коровую подложку размером 0.5 х 6 х 8 мм. Микросхема размещена в корпусе SOT-23 размером 3 х 3 х 1.3 м. Транзистор нагревателя установлен на слюдяную прокладку для обеспечения гальванической развязки силовой и измерительной частей терморегулятора.
Керамическая подложка датчика температуры запаяна на медное основание размером 0.5 х 12 х х 12 мм, имеющее крепежное отверстие для фиксации на медной накладке.
Датчик температуры закрыт сверху медной пластиной, изолирующей его от окружающей среды. На выходе волноводной нагрузки установлена теплоразвязывающая волноводная вставка, выполненная из нержавеющей стали и покрытая изнутри серебром. Волноводные вставки имеют низкие (« —0.05 дБ) потери сигнала. Между фланцами нагрузки и теплоразвязывающей вставки (фланцы
волноводные выполнены по ГОСТ 13337-89) закреплена тонкая (~5—10 мкм) полимерная пленка, препятствующая конвективному охлаждению поглотителя согласованной нагрузки. Как показали измерения (использовались измерители к.с.в.н. и ослаблений Р2-66 и Р2-65), потерями сигнала в пленке можно пренебречь. Установка пленки на вход волноводной согласованной нагрузки приводит к незначительному увеличению к.с.в.н. нагрузки. В собранном виде к.с.в.н. генератора шума в зависимости от использованного образца согласованной нагрузки не выходил за пределы 1.15 в полосе частот волновода.
Внешняя теплоизоляция корпуса г.ш. выполнена из пенополистирола. Конструкции г.ш. К- и ^-диапазонов однотипны и различаются только сечением волновода — соответственно 11 х 5.5 и 7.2 х 3.4 мм2.
Терморегулятор
Устройство стабилизации заданной температуры корпуса г.ш. выполнено на микроконтроллере ATmega 8535, в программу которого заложен пропорционально-интегрирующий алгоритм регулирования температуры [5].
Электрическая схема одного канала (СЫ) измерительной и исполнительной части регулятора температуры приведена на рис. 2. Микросхема ADT7301 (М2) обеспечивает измерение температуры в диапазоне от —40 до +150°С с разрешением 0.03°С (13 бит) и абсолютной погрешностью определения температуры ±1°С. Питание микросхемы осуществляется от источника опорного напряжения Мх.
Данные об измеренной датчиком температуре по последовательному интерфейсу 8Р1 поступают в микроконтроллер. Плата терморегулятора свя-
ГСЕ3>-
+5
Л-
+5
430
820
г«-1 ._. 1 100
I
M5-1
M3
PB0 ATmega8535 PA0
PB1 PA1
PB2 PA2
PB3 PA3
PB4 PA4
PB5 PA5
PB6 PA6
PB7 PA7
RESET AREF
VCC GND
GND AVCC
XTAL1 PC7
XTAL2 PC6
PD0 PC5
PD1 PC4
PD2 PC3
PD3 PC2
PD4 PC1
PD5 PC0
PD6 PD7
32
Рис. 2. Схема терморегулятора. Мх - REF195, М2 - ADT7301, М3 - ATmega 8535, М4 - AD5324, М5 - PS2501-4, М6 - ADR431; Тх - IRF9Z34N, Т2 - KT3153A9.
68
БЫКОВ, ИЛЬИН
зана по RS-485 с компьютером, с помощью которого отображаются данные о температуре нагрузки, а также проводится оперативная настройка алгоритма регулирования температуры г.ш. Контроллер терморегулятора обслуживает до трех (Ch1—Ch3) независимых каналов измерения и регулирования температуры.
В системе терморегулирования г.ш. в качестве нагревателя используется р-канальный MOSFET-транзистор IRF9Z34N фирмы International Rectifier (Т1), у которого напряжение "исток—сток" составляет —5 В, а изменение напряжения "затвор—исток" позволяет регулировать ток стока и соответственно мощность, рассеиваемую транзистором. Управляющее напряжение формируется 12-разрядным цифроаналоговым преобразователем (ц.а.п.) — микросхемой AD5324 фирмы Analog Devices (М4).
Источником опорного напряжения +2.5 В для ц.а.п. служит микросхема ADR431 (М6). Передача управляющего напряжения от ц.а.п. к нагревателю и гальваническая развязка измерительной и силовой частей схемы осуществляются с помощью транзистора T2 и оптопары "светодиод-фототран-зистор" (микросхема PS2501-4 фирмы NEC (М5)).
Диапазон управляющего напряжения, формируемого микросхемой ц.а.п., лежит в пределах 1750-2250 мВ, что полностью отвечает требованиям к дискретности регулировочной характеристики и позволяет плавно регулировать ток через транзистор T1 в пределах от 0 до 1.2 А.
Выделяемая нагревателем мощность («6 Вт) обеспечивает скорость разогрева корпуса г.ш. «0.1°С/с и нагрев его корпуса до 100°С.
Коэффициенты пропорционально-интегрального алгоритма управления системой терморегулирования изменяются с помощью разработанного программного обеспечения, и их числовые величины определяются в процессе настройки алгоритма исходя из заданных требований к погрешности регулирования температуры г.ш.
Выходной сигнал генератора шума
Эквивалентная шумовая температура выходного сигнала г.ш. (Твых гш) зависит от модуля коэффициента отражения согласованной нагрузки (для выбранных нагрузок Г ~ 0.05) и коэффициента передачи (s « 0.98) волновода тепловой развязки и может быть оценена следующим образом:
Твых гш = Тгш(1 - Г2) s + Тв(1 + s), (1)
где Тгш - физическая температура поглотителя согласованной нагрузки г.ш., измеряемая датчиком температуры; Тв — средняя температура отрезка волновода тепловой развязки:
Тв « 0.6(Тгш + То), (2)
где То — температура окружающей среды.
Для более точного (по сравнению с данными производителя) определения текущего значения Твых гш датчики температуры целесообразно отка-либровать, например, в региональном центре Рос-стандарта.
Стабильность выходного сигнала г.ш. была проверена на многосуточном интервале времени. Измерения проводились путем регистрации показаний температурного датчика системы терморегулирования. Регистрация отсчетов значений температуры проводилась с интервалом 5 с. Результаты испытания системы термостатирования показали, что среднеквадратическая погрешность поддержания температуры корпуса г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.