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 болометрас 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

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.