УСТРОЙСТВА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

УСТРОЙСТВА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.

Мощность - это один из основных параметров сигналов, а в микроволновом диапазоне - главный и единственный энергетический параметр, т. к. понятия тока и напряжения в этом диапазоне мало применимы.

В большинстве измерительных приборов для микроволновых сигналов, так или иначе, контролируется уровень мощности. Его можно оценить и с помощью осциллографа и с помощью спектроанализатора, однако развитие технологий обуславливает усложнение формы применяемых сигналов. Вследствие этого возникает актуальность разработки специализированных измерителей мощности, способных оценивать энергетические параметры сложных сигналов и измерять среднюю, пиковую, импульсную и прочие виды мощности.

Сложность измерения уровня мощности заключается в том, что измеряемые сигналы могут значительно отличаться по форме. В связи с быстрым развитием электронных систем, форма радиосигналов приобретает все более сложные формы.

Для решения задачи измерения сигналов сложной формы нужно четко представлять себе ее особенности, факторы, влияющие на эффективность ее решения, в частности: чувствительность, точность, разрешающую способность по мощности и по времени, быстродействие, динамический диапазон входной мощности, ширина рабочего диапазона частот.

Усредняющие измерители мощности, построенные на основе термисторов и термопар, захватывают всю мощность. Вне зависимости от модуляционного формата, они реагируют на тепло, получаемое от измеряемого сигнала. Диодные сенсоры имеют большую чувствительность и достаточно широкий динамический диапазон, но они обладают преобразовательной характеристикой, меняющейся от квадратичного закона детектирования (когда выходное напряжение пропорционально входной мощности) через квази-квадратичную область к линейной области (когда выходное напряжение пропорционально входному напряжению).

Поэтому диодные сенсоры часто могут использованы вместо тепловых в случае когда измеряемый сигнал попадает в квадратичную область, но если пиковая мощность, выводит из квадратичной области, возникнут ошибки измерений.

Существует ряд способов позволяющих расширить динамический диапазон диодных детекторов, тем самым избежать возникновения ошибок при измерении сигналов с широким динамическим диапазоном. Эти способы и их возможные реализации будут рассмотрены в рамках дипломного проекта.

В настоящее время также широко распространены специализированные микросхемы, позволяющие измерять среднее значение уровня мощности. Их применение так же будет рассмотрено в рамках проекта.

2

•2 Основы измерения мощности.

•2.1 Основные понятия мощности

Термин «средняя мощность» очень популярен и используется в спецификациях почти всех радиочастотных и микроволновых систем. Термины «импульсная мощность» и «пиковая мощность огибающей» больше подходят к радиолокационным и навигационным системам, а недавно стали подходить к сигналам МДВУ (множественный доступ с временным разделением или уплотнением) в беспроводных связных системах.

В элементарной теории мощность определяется как произведение напряжения (V) и тока (I). Но для периодического переменного напряжения это произведение меняется в течение периода, как показано кривой P на рисунке. 2.2. В этом примере синусоидальный генератор (см. рисунок 2.1), производит синусоидальный ток, как ожидалось, но произведение напряжения и тока имеет постоянную составляющую и составляющую на двойной генераторной частоте. Слово «мощность», при наиболее общем использовании, относится к этой постоянной компоненте.

Все методы измерения мощности, которые должны быть обсуждены, используют сенсоры, которые, путем усреднения, соотносятся с постоянной составляющей. Инструменты и сенсоры пиковой мощности имеют временную константу в субмикросекундной области, позволяющую проводить измерение мощности огибающей последовательности импульсов.

Фундаментальное определение мощности - энергия в единицу времени. Это соотносится с определением ватта как энергетического пропускания со скоростью один джоуль в секунду. Важный вопрос, который необходимо разрешить, это по какому времени должна быть усреднена скорость энергетического пропускания, когда измеряется или рассчитывается мощность? Из рисунка 2.2 ясно, что если узкий временной интервал сдвигается вдоль одного периода, будут найдены разные ответы по поводу скорости пропускания энергии. Но на радио и микроволновых частотах подобные микроскопические точки произведения напряжения и тока не отображают общий результат. Поэтому следует применить усреднение по многим периодам наименьшей частоты, включенной в спектр сигнала.

Более математический подход к мощности для непрерывной волны - нахождение средней высоты кривой P на рисунке 2.2. Усреднение происходит путем нахождения площади под кривой, то есть путем интегрирования, затем - деления на интервал времени, по которому взят интеграл. Длина интервала должна быть в точности целое число периодов переменного тока. Мощность непрерывного сигнала на частоте 1/T0 есть  

где - период переменного тока;

- пиковые величины напряжения и тока ;

- фазовый угол между и ;

- число периодов, по которым велось усреднение.

 

•2.2 Средняя мощность

Средняя мощность, подобно другим мощностным терминам, должна быть определена, внося дальнейшее сужение понятия «время усреднения», по сравнению с формулировкой «много периодов низшей частоты». Средняя мощность означает, что скорость пропускания энергии является средней по многим периодам низшей частоты, включенной в спектр. Для синусоидального сигнала низшая частота и высшая частота одинаковы, так что средняя мощность и мощность также одинаковы. Для амплитудно модулированной волны мощность должна быть средней по многим периодам модуляционной компоненты сигнала.

В более математическом смысле, средняя мощность может быть записана так:  

где - период низшей частотной компоненты функций 14et, i(t)´>. Время усреднения для усредняющих мощность сенсоров и измерителей обычно от нескольких сотых секунды до нескольких секунд, таким образом, этот процесс охватывает среднее наиболее общих форм амплитудной модуляции.

 

•2.3 Импульсная мощность

Для импульсной мощности скорость энергетического пропускания усредняется по ширине импульса . Ширина импульса рассматривается как время между 50%-ми точками нарастания и спадания амплитуды, рисунок 2.3.

Математически импульсная мощность дается выражением  

В своем настоящем определении, усреднение импульсной мощности устраняет любые искажения импульсной огибающей, подобные проскокам или звону. По этой причине усредненная мощность называется импульсной мощностью, а не пиковой мощностью или пиковой импульсной мощностью, как это делается во многих радарных источниках. Термины пиковая мощность и пиковая импульсная мощность не используются здесь по этой причине. Строясь на видео-импульсных определениях IEEE, амплитуда вершины импульса также описывает мощность вершины импульса, усредненную по его ширине. Пиковая мощность относится к точке вершины импульса, обычно проскакиваемой на переднем фронте (см. ниже определения IEEE) [1].

Определение импульсной мощности расширено с ранних дней микроволновой техники:  

где fповторения - частота повторения импульсов

Для микроволновых систем, которые сконструированы для фиксированного рабочего цикла, пиковая мощность часто рассчитывается путем использования расчета рабочего цикла вместе с усредняющим мощность сенсором. Одна причина этого то, что инструментальное воплощение менее дорого, и в техническом смысле усредняющая техника интегрирует все импульсные несовершенства, приводя их к среднему.

Эволюция высоко изощренных радаров, систем электронного противодействия и навигационных систем, которые часто базируются на сложных импульсах и технологии растянутых спектров, привела к более изощренной инструментарии для характеризации импульсной мощности.

•3 Основные методы измерения мощности

Существуют три популярных метода для измерения средней мощности на радиочастотах и микроволновых частотах. Каждый из методов использует различного типа приборы, чтобы конвертировать высокочастотную мощность в измеримый сигнал постоянного тока или низкочастотный сигнал. Эти приборы - термистор, термопара и диодный детектор. Каждый метод имеет некоторые преимущества и недостатки по отношению к другим методам.

Общая измерительная техника для средней мощности присоединяет соответствующим образом калиброванный сенсор к порту передающей линии, на котором и будет измерена неизвестная мощность. Выход сенсора соединяется с подходящим измерителем мощности. Радиочастотная мощность отключается от сенсора и измеритель мощности устанавливается на нуль. Эта операция часто называется установкой нуля или обнулением. Затем мощность подается вновь. Сенсор, реагирующий на новую входную мощность, посылает сигнал на измеритель мощности и производится новое считывание.

•3.1 Термисторные сенсоры

Сенсоры на болометрах, особенно термисторные, занимают важную историческую позицию в радиочастотных и микроволновых измерениях мощности. Однако, в последние годы термопарные и диодные технологии отвоевали существенную часть этих приложений, вследствие их увеличенной чувствительности, более широкого динамического диапазона и более высоких мощностных характеристик. Тем не менее, термисторы все еще выбирают для переноса мощностных стандартов, вследствие их подстановочной возможности к мощности по постоянному току. Последующий материал обозревает базовую теорию и действия термисторных сенсоров и связанного с ними двойного балансного моста, как инструментов измерения мощности.

Болометры - это мощностные сенсоры, которые действуют путем изменения сопротивления при изменении температуры. Изменения температуры происходят в результате превращения радиочастотной или микроволновой энергии в тепло внутри болометрического элемента. Существуют болометры двух принципиальных типов: барреттеры и термисторы. Барреттер это тонкая проволочка с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Термисторы это полупроводники с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Барреттеры недолговечны.

Термисторные сенсоры, используемые для радиочастотных измерений

маленькие бусинки металлического окисла, обычно 0.4 мм диаметром с проволочными усиками диаметром 0.03 мм [2]. В балансно-мостовой технике термисторный элемент всегда устанавливается на постоянном сопротивлении R с помощью постоянного или низкочастотного смещения. Когда радиочастотная мощность рассеивается на термисторе, уменьшая сопротивление, мощность смещения стремится сбалансировать мост и поддерживать R тем же. Это уменьшение мощности смещения затем показывается на измерителе и индицирует радиочастотную мощность.

3.1.1 Болометры

Термисторные элементы устанавливаются в коаксиальных структурах, поэтому они совместимы с общими системами на передающих линиях, работающими как на радиочастотах, так и на микроволновых частотах. Современные термисторные сенсоры имеют второй комплект компенсирующих термисторов, предназначенных для поправки на вариации температуры окружающей среды.

На протяжении десятилетий мощностные мосты для наблюдения и регулирования мощностных сенсорных термисторов сделали большой шаг в своей эволюции. Ранние мосты, подобные простому типу Уитстона, балансировались мануально[3, с. 150].

Мостовая схема Уитсона, приведённая на рисунке 3.1 это два самобалансирующихся моста, измерительно-логическая секция и цепь с автоматической установкой нуля. Радиочастотный мост, который содержит детектирующий термистор, поддерживается в равновесии путем автоматически изменяющегося постоянного напряжения , которое управляет этим мостом. Компенсационный мост, который содержит компенсационный термистор, поддерживается в равновесии путем автоматически изменяющегося постоянного напряжения , которое управляет этим мостом.

Измеритель мощности изначально установлен на нуль без приложения радиочастотной мощности, путем приравнивания и Vвх0 (Vвх0означает Vвх при нулевой радиочастотной мощности). После установки нуля, если вариации окружающей температуры изменяют сопротивление термистора, обе мостиковые цепи реагируют путем приложения некоторого нового напряжения к установленному балансу.

Если к детектирующему термистору прикладывается радиочастотная мощность, Vвх уменьшается так, что  

где Pвх - приложенная радиочастотная мощность,

- величина термисторного сопротивления в равновесии, но при установленном нуле , так что  

которое можно записать так:  

Измерительно-логическая цепь конструируется так, чтобы измерять произведение напряжений, показанное в уравнении (3.3). Изменения окружающей температуры заставляют и Vвх изменяться так, что Vк2 - Vвх2 остается без изменения, и индицируемая мощность не меняется.

•3.2 Термопарные сенсоры

Термопарные сенсоры стали выбором детектирующей технологии для целей восприятия радиочастотной и микроволновой мощности, начиная со своего введения в 1974 году. Для этой эволюции есть две главных причины:

1) эти сенсоры обеспечивают большую чувствительность, чем вышерассмотренная термисторная технология;

2) им внутренне свойственна квадратичная детекторная характеристики.

Поскольку термопары это сенсоры, основанные на тепле, они подходят для функции «усредняющих детекторов». Это рекомендуется им для всех типов сигнальных форматов, от гармонической волны до комплексной цифровой фазовой модуляции. В добавление, они более жесткие, чем термисторы, делают возможными мощностные измерения до 0.3 мкВт (-35.23 дБм по полной шкале) и имеют более низкую измерительную неопределенность, вследствие лучшей установки радиочастотного напряжения.

Эволюция к термопарной технологии есть результат комбинирования тонкопленочной и полупроводниковой технологий с целью получить полностью понятный, точный, жесткий и воспроизводимый мощностной сенсор. Кратко опишем принципы термопар, конструкцию и конструирование современных термопарных сенсоров, инструментацию, используемую для измерения этими крошечными сенсорами выходных уровней по постоянному току[3, с.153]

3.2.1 Принципы работы термопар

В основе работы терморпар лежит тот факт, что несхожие металлы генерируют напряжение, благодаря температурной разности на горячих и холодных сторонах двух металлов. Как простой пример физического механизма, изобразим длинный металлический стержень, который подогревается на левом конце, как показано на рисунке 3.2. Из-за увеличения термического возбуждения на левом конце многие дополнительные электроны освобождаются от своих родительских атомов. Увеличенная плотность свободных электронов слева обусловливает диффузию вправо. Здесь есть также сила, способствующая диффузии положительных ионов вправо, но ионы закреплены в структуре металла и не могут мигрировать. До сих пор это объяснение не зависело от кулоновских сил. Миграция электронов направо под действием диффузии - это то же физическое явление, которое стремится выровнять парциальное давление газа в окружающем пространстве.

Каждый электрон, который мигрирует вправо, оставляет за собой положительный ион. Этот ион стремится притянуть электрон обратно налево с силой, данной законом Кулона. Стержень достигает равновесия, когда направленная вправо сила термо-индуцированной диффузии в точности уравновешена направленной влево силой закона Кулона. Направленная влево сила может быть представлена электрическим полем, направленным вправо. Электрическое поле, суммированное вдоль длины стержня, дает рост источника напряжения, называемого Томсоновской электродвижущей силой (ЭДС). Это объяснение сильно упрощенно, но правильно показывает принцип.

Те же принципы приложимы к соединению несхожих металлов, где различные электронные плотности в двух разных металлах дают рост диффузии и ЭДС. Это явление называется эффектом Пельтье.

Термопара это обычно петля или цепь из двух различных материалов, как показано на рисунке 3.3. Одно соединение металлов подвергается нагреванию, другое нет. Если петля остается замкнутой, ток будет течь в петле до тех, пока два соединения остаются при разных температурах. Если петля разорвана, чтобы вставить чувствительный вольтметр, он будет измерять итоговую ЭДС. Термопарная петля использует и томсоновскую ЭДС и ЭДС Пельтье для производства итогового термоэлектрического напряжения. Полный эффект называется ЭДС Зеебека.  

Иногда много пар соединений или термопар соединяются в серии и изготавливаются таким путем, что первое соединение в каждой паре выставлено для нагревания, а второе нет. В этом случае результирующие ЭДС пар складываются, давая в результате большой термоэлектрический выход. Подобные сериальные соединения термопар называются термоэлементом (термостолбиком). Ранние термопары для восприятия радиочастотной мощности часто были сконструированы на основе металлов висмута и сурьмы. Чтобы нагреть одно соединение в присутствии радиочастотной энергии, она диссипировалась в резисторе, сконструированного из металла, осуществляющего соединение. Металлический резистор должен быть малым по длине и поперечному сечению, чтобы образовать сопротивление, достаточно большое для подходящей нагрузки на конце передающей линии. Кроме того, соединение должно производить измеримые изменения температуры, соответствующие минимальной детектируемой и измеряемой мощности. Обычно для построения металлических термопар использовалась тонкопленочная техника. Эти маленькие металлические термопары склонны иметь паразитные реактивности и низкий уровень прогорания. Далее, большие термоэлементы, имеющие лучшую чувствительность, склонны к напасти, приносимой реактивными элементами на микроволновых частотах, поскольку размеры прибора становятся слишком большими для хорошего согласования на высоких частотах.

•3.3 Диодные сенсоры

Выпрямляющие диоды давно используются как детекторы и для измерений относительной мощности на микроволновых частотах. Самые ранние диоды чаще всего использовались для детектирования огибающей и как нелинейный смесительный компонент в супергетеродинных приемниках. Для измерений абсолютной мощности, однако, диодная технология была ограничена, в основном, радиочастотами и нижними микроволновыми частотами.

Высокочастотные диоды начались с точечно-контактных технологий, которые произошли от галеновых кристаллов и типов котовых усов, применяемых в ранних приложениях для радио и фундаментальных исследований еще в 1904 году. Точечно-контактные диоды были чрезвычайно хрупки, но очень повторяемы, и существенно менялись во времени. Технология низко-барьерных диодов Шоттки сделала возможным конструировать диоды с переходами металл-проводник для микроволновых частот, которые были очень шероховаты и постоянны от диода к диоду. Эти диоды, введенные как мощностные сенсоры в 1974 году, были способны детектировать и измерять мощность на уровне - 70 дБм (100 пВт) на частотах до 18 ГГц [2].

Раздел дает обозрение полупроводниковых принципов, как они применяются для микроволнового детектирования, кратко рассматривает технологию низко-барьерных диодов Шоттки. Будет описано, как подобные приборы конструируются в мощностной сенсорной конфигурации и вводятся новые непрерывно-волновые диодные сенсоры с впечатляющим мощностным динамическим диапазоном в 90 дБ, благодаря использованию техники коррекции с помощью кривой цифрового детектирования. Затем обсуждаются новые диодные двунаправленные сенсоры с широким динамическим диапазоном. Проверяются также эффекты сигнала и формы модуляции в случае обработки не непрерывных сигналов за пределами диапазона квадратичности диодной характеристики.

3.3.1 Принципы работы диодных детекторов

Детекторы преобразуют сигналы переменного тока в сигналы постоянного тока за счёт своих детектирующих свойств которые возникают из-за нелинейной ВАХ диода и фильтрующих свойств детектора. Очевидно, что обычный кремниевый диод с p-n переходом должен, при правильной конструкции, быть чувствительным радиочастотным детектором. Однако, запасание заряда устанавливает предел полосе пропускания p-n перехода. Диод на барьере Шоттки не запасает заряд на своем переходе, но большинство из них имеют чрезвычайно высокий импеданс на низких сигнальных уровнях. Радиочастотный сигнал в области -20 дБм должен преодолеть напряжение перехода 0.3 В обычного диода Шоттки. Этому есть альтернатива: применить смещение диода на 0.3 В, это полезный подход, если выход детектирования может быть по переменной составляющей связан с исключением дрейфа, вносимого смещением. Минимальная мощность, которая может быть измерена смещенным диодом, может быть улучшена примерно на 10 дБ в связи с исключением дрейфа и шума, вносимых током смещения. Типичное применение этого метода - диодные детекторы, используемые в скалярных анализаторах цепей.

Диодный детектирующий эффект на переходе металл-полупроводник был назван по имени физика Вальтера Шоттки (1886-1976), который продвинул теорию этого процесса.

Переход металл-полупроводник служит примером точечно-контактной технологии, демонстрирующей низко-потенциальный барьер сквозь переход с опережающим смещением порядка 0.3 В. Они имеют превосходящие радиочастотные и микроволновые характеристики и были популярны в предыдущих десятилетиях. Низко-барьерные диоды Шоттки, имеющие соединение металла и полупроводника, наследуют точечно-контактные и сильно улучшенные повторяемость и надежность. Рисунок 3.4 показывает типичную вольт-амперную характеристику низко-барьерного диода Шоттки, растянутую около начала координат, чтобы показать квадратичную (см. ниже) область.

Математически детектирующий диод подчиняется уравнению

I - диодный ток;

V - итоговое напряжение на диоде;

IS - ток насыщения, постоянный при данной температуре;

K - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура;

q - заряд электрона;

n - поправочный коэффициент для подгонки экспериментальных данных ( примерно равен 1.1 для приборов, используемых здесь как сенсоры мощности). Величина обычно меньше, чем 40 В-1, в данном случае приблизительно 36 В-1.

Уравнение 3.5 часто записывается как степенной ряд для лучшего анализа детектирующего действия:  

Второй и другие четные члены этого ряда как раз и обеспечивают детектирование. Для малых сигналов существенен только член второго порядка, так что в этих условиях диод называют действующим в квадратичной зоне. В этой зоне выходной ток (и выходное напряжение ) пропорционален квадрату радиочастотного входного напряжения. Когда так велико, что члены четвертого и более высоких порядков становятся существенными, диодный отклик уже не подчиняется квадратичному закону, и диод выходит из квадратичной зоны. Тогда он детектирует в квази-квадратичной зоне, которая иногда называется переходной зоной. Выше этой зоны он переходит в линейную детектирующую зону (выходное напряжение пропорционально входной мощности).

Для типичного диода в сборе квадратичная зона расположена от уровня шумов до, приблизительно, - 20 дБм. Область переходной зоны расположена, примерно, от - 20 дБм до 0 дБм входной мощности, а зона линейного детектирования расположена, примерно, выше 0 дБм. Нуль дБм радиочастотного входного напряжения эквивалентен, примерно, 220 мВ (среднеквадратичное значение) в 50-омной системе. Для сенсоров мощности с широким динамическим диапазоном важно иметь хорошо охарактеризованное задание переходной и линейной областей.

Рисунок 3.5 показывает типичную кривую детектирования, начинающуюся вблизи уровня шума -70 дБм и продолжающуюся до +20 дБм. Она делится на три участка: квадратичную, переходную и линейную зоны. Шум предположен нулевым, чтобы показать квадратичный участок кривой как простирающийся, теоретически, в область бесконечно малой мощности. Сейчас могут быть изготовлены детектирующие диоды, которые демонстрируют характеристики переходной области, высоко стабильные во времени и с изменением температуры.

Упрощенная цепь на рисунке 3.6 представляет прибор на несмещенном диоде для детектирования радиочастотных сигналов низкого уровня. Детектирование возможно потому, что диод имеет нелинейную вольт-амперную характеристику; радиочастотное напряжение на диоде детектируется, в результате получается выходное напряжение постоянного тока.

Если диодное сопротивление для радиочастотных сигналов было согласовано с сопротивлением генераторного источника, на диод должна попадать максимальная радиочастотная мощность. Однако, до тех пор пока радиочастотное напряжение запечатлено на детекторе, он будет детектировать радиочастотное напряжение эффективно. По причинам, объясненным ниже, диодное сопротивление для малых радиочастотных сигналов обычно много больше, чем 50 Ом, и используется отдельный согласующий резистор для установки необходимого импеданса входа мощностного сенсора. Максимальная мощность передается на диод, когда диодное сопротивление для малых радиочастотных напряжений согласовано с сопротивлением источника.

Диодное сопротивление в начале координат, найденное путем дифференцирования равенства (3.5), равно:  

Сопротивление - сильная функция температуры, что определяет чувствительность диода, поэтому коэффициент отражения также сильная функция температуры. Чтобы достигнуть уменьшения температурной зависимости, сопротивление должно быть много больше, чем сопротивление источника, и согласующий резистор 50 Ом служит как первоначальная нагрузка генератора. Однако, если Rсогл диода на рисунке 3.6 был сделан достаточно большим, преобразование мощности из радиочастот в нулевые частоты будет бедным, поэтому большой уменьшает чувствительность. Начальное сопротивление 1-2 кОм будет получено с диодами, имеющими обратный ток насыщения между 27.5 и 13.8 мкА. Компромисс между хорошей чувствительностью на малых сигналах и хорошим температурным преобразованием получается при токе порядка 10 мкА и приблизительно 2.75 кОм.[2]

Желаемая величина тока насыщения может быть достигнута путем конструирования диода из подходящих материалов, которые имеют низкий потенциальный барьер на переходе. Переход Шоттки металл-полупроводник может быть сконструирован с подобным низко-барьерным потенциалом.

Начальное сопротивление - очень полезная концепция в понимании того, как детекторный диод будет действовать в широкой вариации условий. Оно формирует действительную часть импеданса источника в детекторном выходе, поэтому можно оценить влияние нагрузочного сопротивления. Если величина радиочастотного шунтирующего конденсатора известна, может быть точно оценено полное время роста. Если рассматривается вариация величины как функции температуры (для кремниевых низко-барьерных диодов Шоттки удваивается каждые 10 0С роста), температурный коэффициент нагруженного детектора также можно оценить.

Конечно, также чувствительно ко входной мощности в приборе, и его можно рассматривать только как постоянную для напряжения перехода, которое ниже, чем «термальное напряжение» или в пике около 28 мВ. Этот предел сильно коррелирует с уровнем мощности, при котором выход отклоняется от квадратичного закона отклика в 50-омной системе.


•3.4 Использование логарифмических усилителей для измерения среднеквадратичного значения мощности.

Схемы для измерения мощности радиочастотного сигнала обычно называют детекторами. Непосредственно величину мощности измеряют с помощью термоэлементов (болометров). Интегральные микросхемы детекторов оперируют с выборкой измеряемого сигнала в виде напряжения. Схемы этого класса классифицируются по типу сигнала, который они преобразуют. В 1976 г. Фирма Analog Devices представила первые монолитные детекторы ("true-rms") для использования на средних частотах. В настоящее время линейка таких микросхем включает в себя приборы, например AD8361, возможности которых расширились до микроволнового диапазона частот. Высокая точность определения мощности сигнала вне зависимости от его вида и формы является важным свойством таких микросхем для применения их в современных коммуникационных системах, включая системы с многостанционным доступом с кодовым разделением каналов (МДКР). В отличие от термодетекторов новые микросхемы используют аналоговое вычисление для прямой (непосредственной) реализации соответствующих уравнений на частотах гигагерцового диапазона.

Другой полезный тип радиочастотного детектора (также использующего процедуру аналогового вычисления) - это демодулирующий логарифмический усилитель (ЛУ). В соответствии с названием такие микросхемы усиливают сигнал, который принимается приборами этого класса для измерения сигналов малого уровня, и демодулируют периодический ВЧ-сигнал, вырабатывая на выходе медленно меняющийся сигнал «квазипостоянного тока». По сути дела, такой детектор выделяет огибающую ВЧ-сигнала (рис. 3.7).

Однако в отличие от среднеквадратических (rms) детекторов, выходной сигнал которых пропорционален среднеквадратической величине входного напряжения, логарифмические детекторы выдают выходной сигнал, пропорциональный уровню входного сигнала, выраженного в децибелах, по отношению к некоторой задаваемой величине опорного напряжения 14VР´РҐ´>. Выходной сигнал, как правило, в виде напряжения, может быть интерпретирован в терминах напряжения или мощности за счет простого использования различной величины параметра масштабирования, который характеризует крутизну характери­стики логарифмического детектора.

Для ВЧ логарифмических усилителей необходимо использовать напряжение как меру всех сигналов и параметра крутизны характеристики усилителей. Для определения уровня входного сигнала используют дБВ-дБ по отношению к 1 В среднеквадратичному, что предпочтительнее, чем обращаться к дБм-дБ по отношению к мощности 1 мВт. Это является точно выраженным, независимым от выбора входного импеданса опреде­лением и наилучшим образом подходит для микросхемы детектора. Например, 0 дБВ соответствует амплитуде синусоидального сигнала 2,83 В (от пика до пика); аналогичным образом величина -60 дБВ относится к синусоидальному сигналу с амплитудой от пика до пика, равной 2,83 мВ.

3.4.1 Основные параметры логарифмических усилителей

Основное назначение ЛУ - это компрессия (сжатие) сигнала с широким динамическим диапазоном в его децибельный эквивалент. Вследствие этого такой усилитель может быть отнесен к категории измерительных приборов. Более того, ЛУ лучше называть логарифмическим конвертором (или преобразователем), поскольку ЛУ преобразует сигнал из одной области представления в другую через нелинейное преобразование.

Логарифмическая компрессия приводит к ситуации, которая может показаться парадоксальной. К примеру, напряжение смещения, добавленное к выходному сигналу, эквивалентно увеличению усиления входного сигнала до подачи его на вход ЛУ. В обычной ситуации, когда все переменные являются напряжениями, независимо от структуры, соотношение между переменными может быть выражено следующим образом:  

 - выходное напряжение;

 - входное напряжение (напряжение входного сигнала);

 - напряжение, определяющее крутизну характеристики ЛУ (обычно используют десятичный логарифм, вследствие чего это напряжение измеряется в В/декада)

 - напряжение (точка) перехвата.  что собственно и поясняет смысл этого параметра.

ЛУ характеризуется двумя параметрами ( 14Vy´> и 14Vx´>), определяющими его характеристику и, соответственно, его схему. Точность ЛУ не может быть выше, чем точность установки его параметров. На рис. 3.8 приведена характеристика ЛУ, построенная на основе (3.8).

 

Данный график (рис. 3.8) отражает соотношение вход/выход идеального ЛУ в соответствии с выражением (3.8). По горизонтальной оси отложено входное напряжение в логарифмическом масштабе (log VIN), которое охватывает широкий динамический диапазон (как показано на рис. 3.7, свыше 120 дБ или шести декад). График передаточной функции ЛУ (сплошная прямая линия) проходит через 0 в точке VВХ=Vx, которая называется точкой перехвата, и остается идеальной прямой для отрицательных значений выходного напряжения при значениях VВХ< Vx В идеальном случае прямая линия, описывающая VВЫХ , должна быть непрерывной и бесконечной в обоих направлениях. Штрихпунктирная линия отражает результат добавления напряжения смещения (VСМ) к выходному напряжению, что приводит к уменьшению значения напряжения Vx . Точно такое же изменение Vx может быть достигнуто при увеличении усиления (или уровня входного сигнала) до ЛУ, что определяется отношением VСМ/ Vy.

Например, если Vy = 500 мВ/декада (25 мВ/дБ), смещение величиной +150 мВ, добавленное к выходному напряжению, будет проявляться в уменьшении напряжения точки перехвата в 20 раз/декада или на 6 дБ. Таким образом, добавление напряжения смещения к выходному напряжению идентично увеличению уровня входного напряжения на 6 дБ.

Передаточная функция ЛУ, описываемая выражением (3.8), отличается от передаточной функции линейного усилителя: приращение усиления, описываемое производной

строго зависит от величины изменения 14VРІС...´>. В случае, когда основанием логарифма является число е, мы получаем следующее соотношение:  

Это приращение усиления обратно пропорционально приращению величины входного напряжения. Величина этого приращения справедлива для логарифма по любому основанию. Обычно это основание выбирается равным 10. Это удобно для любых целевых параметров, которые могут быть выражены в дБ.

Из этого следует, что идеальный ЛУ должен обладать бесконечным усилением в режиме усиления малых сигналов. В реальности данный вывод отражает тот факт, что, независимо от целей использования ЛУ, точность его характеристики в режиме усиления малых сигналов требует усилителя с очень высоким значением площади усиления. И как следствие, при отсутствии входного сигнала даже очень малое значение теплового шума на входе ЛУ будет вызывать на его выходе реакцию конечной величины: передаточная характеристика ЛУ отклоняется от идеальной (на рис. 3.8 - сплошная линия), сдвигаясь влево или вправо от точки перехвата.

3.4.2 Принципы схемотехники логарифмических усилителей для радиочастотных приложений

Детекторы мощности должны обладать широким динамическим диапазоном, которого невозможно достичь на ЛУ стандартной схемотехники. В силу этого схемотехника современных ЛУ построена по принципу кусочно-линейной аппроксимации характеристики ЛУ, реализация которой обеспечивается многокаскадной структурой. Упрощенная структурная схема такого ЛУ приведена на рис. 3.9.

Ядро схемы - каскадное соединение нескольких усилителей (в данном примере их 5). Каждый из них имеет линейный коэффициент усиления А, величина которого обычно выбирается в пределах от 10 до 20 дБ. Такой усилительный каскад называют «А/0» (А/ноль) усилителем, поскольку крутизна его амплитудной характеристики в идеальном случае равна «А» в пределах линейного интервала от 0 до 14VРІС...´> = 14Ek´> и равна нулю за пределами этого интервала (рис. 3.10).

Рассмотрим работу такого каскадного соединения, подав на вход первого каскада синусоидальный сигнал малой амплитуды (эпюры сигналов на входах и выходах каскадов приведены в нижней части рис. 3). Первый каскад усиливает сигнал на 20 дБ. При прохождении сигнала через последующие каскады добавляется по 20 дБ усиления. При увеличении амплитуды усиливаемого сигнала от каскада к каскаду на выходе какого-то из них начнет проявляться эффект насыщения, который приведет к ограничению роста амплитуды и, как следствие этого, к искажению формы усиливаемого сигнала. В данном примере, полагая верхнюю границу линейного участка амплитудной характеристики одного каскада равной 1 В, ограничение амплитуды и искажение усиливаемого сигнала проявляются на выходе третьего каскада. На выходах последующих каскадов искажения выходного сигнала лишь увеличиваются, но амплитуда искаженного сигнала остается равной 1 В.

Выходной сигнал каждого усилительного каскада подается на двухполупериодный выпрямитель, на схеме рис. 3.9 обозначенный как детектор (Det). Эпюры выходных напряжений этих детекторов для каждого каскада в отдельности приведены в верхней части рис. 3.9. Выходные напряжения всех детекторов суммируются и далее фильтруются с помощью ФНЧ для исключения ВЧ-составляющих и сглаживания пульсаций выходных сигналов детекторов. Здесь следует отметить, что вклад выходных сигналов детекторов начальных каскадов в результирующий сигнал сумматора достаточно мал по сравнению с вкладами от оконечных каскадов, и поэтому им можно пренебречь. Это приводит к выходному сигналу, который будет установившимся квазилогарифмическим сигналом постоянного тока для входного сигнала переменного тока с неизменными, установившимися параметрами.

Конкретным примером практической реализации логарифмического усилителя, реализованного по данной идеологии, может служить схема MAX4000, структура которой приведена на рис. 3.11.

Реальные приборы содержат дополнительные элементы схемотехники, которые формируют требуемое усиление и предельные функции для обеспечения сглаженного и точного логарифмического характера между декадными интервалами, с ограничением выходной суммы, сопоставимой с характеристикой логарифма.

Для того чтобы понять, как это преобразование сигнала приводит к логарифму огибающей входного сигнала, рассмотрим, что произойдет, если входной сигнал уменьшится на 20 дБ (в 10 раз). Как это отражено на рис. 3.9, выход сигнала сумматора до фильтра имеет величину 4 В (разумеется, в рамках величин рассматриваемого примера). Если входной сигнал уменьшается в 10 раз (на 20 дБ), выходной сигнал первого каскада будет иметь пренебрежимо малую величину. Вследствие этого величина результирующего выходного напряжения изменится примерно до 3 В. Если величину входного сигнала первого каскада вновь уменьшить в 10 раз (еще на 20 дБ), то на выходе сумматора сигнал будет составлять примерно 2 В. Таким образом, выходной сигнал изменяется на 1В при каждом 10 - кратном (на 20 дБ) изменении амплитуды сигнала на входе схемы. Поэтому мы можем описать логарифмический усилитель как усилитель, имеющий в данном конкретном примере крутизну характеристики, равную 50 мВ/дБ.

Крутизна характеристики и точка перехвата - это два параметра (технические требования), характеризующие передаточную функцию логарифмического усилителя, которая определяет соотношение уровней напряжений входного и выходного сигналов.

На рис. 3.12 приведена передаточная функция логарифмического усилителя AD8313 на частоте 900 МГц. Данный усилитель предназначен для работы в диапазоне частот от 100 МГц до 2 ГГц с собственным динамическим диапазоном, равным 65 дБ.

На рис. 3.12 указаны кривые ошибок преобразования в зависимости от температуры от - 40 до +85 °С. Можно видеть, что выходное напряжение изменяется примерно на 180 мВ на каждые 10 дБ изменения входного сигнала. Это определяет крутизну передаточной функции логарифмического усилителя величиной 18 мВ/дБ. Когда величина входного сигнала меньше - 65 дБм, характеристика становится пологой вблизи начала координат (на уровне 0,5 В для данного примера). Но если линейную часть характеристики передаточной функции экстраполировать до пересечения с осью абсцисс до теоретического уровня величины выходного напряжения 0 В, эта линия проходит через точку перехвата, соответствующую для данного примера значению - 93 дБм.

В пределах линейного участка характеристики (для данного примера это интервал от 0 до - 65 дБм) номинальная величина выходного напряжения логарифмического усилителя может быть определена по простой формуле:  

Например, если входной сигнал имеет величину - 40 дБм, выходное напряжение усилителя будет равно:

В итоге предварительного анализа схемотехнических принципов реализации логарифмического усилителя, реализованного по рассмотренной идеологии, можно сделать вывод о том, что получение большого динамического диапазона основано на кусочно - линейной аппроксимации передаточной функции логарифмического усилителя. При этом число сопрягаемых линейных участков, каждый из которых реализуется отдельным каскадом, определяет своим числом динамический диапазон, а специфические схемотехнические решения, применяемые разными фирмами, обеспечивают линеаризацию характеристики в целом и, как следствие, качество этой линеаризации, что минимизирует общую ошибку измерения выходного напряжения.

3.4.3 Заключение

Логарифмические усилители современной схемотехники, ориентированные на радиочастотные приложения, позволяют в силу специфики своей структуры обеспечивать измерение мощностей передающих устройств и в оконечных узлах беспроводных линий связи с разными типами их идеологии. Кроме того, с их помощью можно осуществлять управление уровнем выходных сигналов усилителей мощности, обеспечивая тем самым наиболее оптимальный режим их работы при экономичном расходовании энергии от источника питания.

Принятая многокаскадная структура таких усилителей, в которых одна усилительная ячейка объединяется с двухполупериодным выпрямителем (детектором), и использование метода прогрессивной компрессии позволяют получить кусочно - линейную аппроксимацию передаточной функции такого детектора в весьма широком динамическом диапазоне. Это позволяет измерять мощность в очень широких пределах (до 100 дБ), что крайне актуально при реализации уверенной и устойчивой связи, например, в сотовой телефонии и других беспроводных системах беспроводной передачи информации в диапазоне рабочих частот, доходящем до 10 ГГц и выше. В известной степени данная направленность применения таких приборов и была стимулятором их разработки и широкого производства.

Номенклатура таких микросхем, выпускаемых фирмой Analog Devices, которую можно с уверенностью считать пионером в данной области, достаточно велика. Это дает возможность в зависимости от специфики решаемой задачи использовать наиболее оптимальные по параметрам и характеристикам микросхемы и тем самым обеспечивать высокое качество и экономичность проектируемого устройства.


•4 Детекторы среднеквадратичного значения мощности

Существуют два основных схемотехнических решения измерителей среднеквадратичного значения мощности СВЧ сигналов(true RMS), это схемотехнические решения компаний Agilent Technologies, Anritsu. Оба этих способа позволяют расширить динамический диапазон диодных детекторов, путём увеличения участка квадратичного детектирования.

•4.1 Схемотехническое решение компании Agilent Technologies

Схемотехническое решение Agilent Technologies, основано на топологии дуального сенсора по схеме: диодная пара/аттенюатор/диодная пара. Эта топология имеет то преимущество, диодные сенсоры всегда находятся в своей квадратичной области, и поэтому будут правильно откликаться на комплексные модуляционные форматы, до тех пор, пока выбран правильный диапазон сенсора.

Этот подход был в дальнейшем улучшен вставлением диодного пакета (стека) на место единственного диода, чтобы расширить область квадратичного закона на высокие уровни мощности в ущерб чувствительности. Последовательное соединение m диодов приводит к снижению уровня чувствительности на дБ, а расширение мощностных границ области квадратичного закона дает выигрыш максимальной мощности на дБ, в результате получаем выигрыш динамического диапазона квадратичного закона на дБ, в сравнении с однодиодным детектором.

Мощностные сенсоры серии Е фирмы Аджилент, такие как Е9300, внедрялись как модифицированные барьерные интегрированные диоды (МБИД) и имели два диодных стека по два диода, спаренных для низких уровней мощности ( -60 - -10 дБм), резистивный делитель и аттенюатор, два диодных стека по пять диодов, спаренных для высоких уровней мощности (- 10 - +20 дБм), как показано на рисунке 3.1. Дополнительно, используются переключатели которые выбирают с какой диодной пары снимать сигнал и предохраняют от перегорания на очень высоких уровнях мощности.

Отклонение от квадратичного закона для низких уровней мощности (-60 - -10 дБм) и для высоких уровней мощности (-10 - +20 дБм) для сенсоров Е-серии показано на рисунке 4.1. Реализация данной схеме приведена на рисунке 4.2, её линейность приведена на рисунке 4.3.

•4.2 Схемотехническое решение компании Anritsu

Схемотехническое решение компании Anritsu так же предусматривает использование аттенюаторов и нескольких детекторных секций, работающих в разных областях динамического диапазона, но здесь не используются столь сложные кристаллические структуры как у Agilent Technologies, что делает её более простой в исполнении.

В схеме используются три плеча, сигнал разветвляется в каждое из плеч за счёт делителей мощности (сплитеров), которые ослабляют поступающий на свой вход сигнал на 6дБ. Для того чтобы сигнал поступающий на вход каждого детектора находился в области квадратичного детектирования диода, используют два дополнительных аттенюатора с ослаблением 11дБ и 17дБ [6] (рисунок 4.4).

В результате таких преобразований уровня сигнала на детектор №1 сигнал приходит с ослаблением 40 дБ, это позволяет измерять мощность сигнала от - 3,5 дБм до +20 дБм, за счёт аттенюаторов уровень входного сигнала на детекторе варьируется от -43,5 дБм до -20 дБм. На детектор №2 сигнал поступает с ослаблением 23дБ, он работает с сигналами от -23,5 дБм до 3,5дБм, уровень сигнала на входе детектора варьируется в диапазоне от - 43,5 дБм до - 26,5 дБм. Детектор №3 работает без дополнительного ослабления, на уровень сигнала поступающего на его вход влияет только делитель мощности. Детектор №3 измеряет сигналы в диапазоне от уровня тангенсальной чувствительности (порядка -66дБм) до -23,5 дБм. Уровень сигнала на детекторе варьируется от -66 дБм до -29,5 дБм (рисунок 4.5) [7]

•5 Обоснование выбранного схемотехнического решения

Выбирая способ расширения динамического диапазона диодного детектора необходимо руководствоваться несколькими параметрами, а именно точностью измерения, надёжностью и стоимостью. Точность измерения и надёжность приведённых выше схемотехнических решений схожа. Однако высокая стоимость диодов, используемых в детекторах ЗАО "НПФ "Микран" и рекомендуемых для использования в разрабатываемом устройстве детектирования, обуславливает выбор решениями с использованием аттенюаторов и одинаковых детекторов. Такой выбор позволит осуществлять измерения с достаточно высокой точностью и широким динамическим диапазоном, а так же будет являться наиболее рентабельным.

•5.1 Диоды Шоттки

Для реализации подобной схемы лучше всего использовать диоды Шоттки, это диоды с малым падением напряжения при прямом включении. Им требуется малый ток смещения или они вообще могут работать без него, как раз это качество и используется.

Для детектирования мощности используется участок квадратичного закона, это участок на котором выходное напряжение пропорционально входной мощности. Этот участок ограничивается с низу уровнем тангенсальной чувствительности (уровень входного сигнала при котором можно различить входной сигнал от шума, производители диодов как правило устанавливают его как 8 дБ отношения сигналшум). Верхняя граничная точка это так называемая «точка компрессии», рисунок 5.1. Эта точка характеризуется разницей в 1дБ между квадратичным законом детектирования и участком с линейной зависимостью.

Чувствительность - это величина, характеризующая величину выходного напряжения при воздействии на вход диода определенным уровнем мощности. Эта величина определяет крутизну графика зависимости Uвых от Pвх. Как правило, выражается в [мВ/мкВт]. Этот коэффициент довольно зависим от нескольких факторов, он завист от частоты, тока смещения, температурного воздействия, нагрузочного сопротивления.

Так как без тока смещения диод имеет очень высокое собственное сопротивление, доходящее до десятков ГОм, диод сложно согласовать с нагрузкой, это безусловно влияет на чувствительность. Исходная чувствительноть уменьшается с увеличением разницы между сопротивлением диода и сопротивлением нагрузки.  

•5.2 Диод HSCH-9161 компании Avago technologies

Для создания детекторной головки был выбран Арсенид галлиевый Диод Шоттки от компании Avago technologies, HSCH-9161. Этот диод работает без тока смещения, что как раз и необходимо. Верхняя граничная частота диода равна 110 ГГц.[8]

Для малых уровней входного сигнала диод имеет эквивалентную схему представленную на рисунке 5.2.

Общее сопротивление этого диода складывается из постоянного сопротивления диода RC=50 Ом и переменного внутреннего сопротивления диода RД, которое изменяется в зависимости от уровня входного сигнала.

Таблица 5.1 - Характеристики Диода HSCH - 9161 при комнатной температуре

Символ

Параметр и описание условий

Мин.

Среднее

Макс.

Спар

Паразитное сопротивление на частоте 1 ГГц

-

0.035пФ

-

Rобщее

Собственное сопротивление диода без тока смещения

2.5 КОм

-

7.5 КОм

 

Продолжение таблицы 5.1

14Оі´>

Чувствительность по напряжению на частоте 10 ГГц

0.5 мВ/мкВт

-

-

 

На рисунке 5.3. можно видеть вольтамперную характеристику диода, приведённую производителем.

В документации на данный диод, предоставляемой производителем [8] имеется описание SPICE модели данного диода. В соответствии с моделью, диод можно представить в виде 2х разнонаправленных диодов, включенных параллельно (рисунок 5.4).

В рамках преддипломной практики было проведено моделирование эквивалентной схемы диода. Для этого использовалась САПР Advanced Design System (ADS), програмный продукт Agilent Technologies, обладающий широкой библиотекой компонентов производимых компаниями Agilent Technologies, Avago, Hewlett-Packard.

Был проведён анализ модели, приведённой на рисунке 5.5 по постоянному току, для сигналов с низким уровнем напряжения и нагрузочным сопротивлением 5 Ом.

Полученные результаты приведены на рисунке 5.6, если сравнить их с данными от производителя можно видеть что характеристики совпадают. Этот факт позволяет говорить о том, что в дальнейшем можно будет поводить моделирование более сложных схем включающий в свой состав диод HSCH - 9161 в ADS. Это позволит в дальнейшем моделировать детектор с использование этого детектора.


•6 Эксперименты с диодными детекторами на основе диодов Avago technologies HSCH - 9161

•6.1 Исследование чувствительность и границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42-20 и Д4-20

Цель: определение чувствительности и границ квадратичного режима работы диодов Agilent HSCH - 9161.

Для выполнения эксперимента использовались амплитудные детекторы Д42 - 20 и Д4 - 20. Д4 - 20 представляет собой классический амплитудный детектор с одним диодом, работающий в диапазоне от 10 МГц до 18 ГГц. Детектор Д42 - 20 содержит 2х диодную схему детектирования, что позволяет определить удвоенную амплитуду входного гармонического сигнала.

При работе диодов детектора в квадратичном режиме справедливо следующее соотношение:

P=γ·Uд, (6.1)

где P - выходная мощность, Вт;

- чувствительность, Вт/В;

- выходное напряжение детектора, В.

При выходе детектора из квадратичного режима линейность зависимости выходной мощности от напряжения не выполняется.

В ходе эксперимента чувствительность определялась как отношение мощности к выходному напряжению детектора. При этом не учитывались потери мощности в детекторе, и при расчете использовалась входная мощность детектора (см. рис. Рисунок 6.1). Она контролировалась измерителем мощности на выходе сплиттера. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 6.1.

Входная мощность детектора изменялась от (-65) дБм до (-6) дБм. Это достигалось путем изменения ослабления аттенюатора, а также постоянным ослаблением сплиттера - 6 дБ.

В документации диода HSCH-9161 [8], размерность приводиться в [мВ/мкВ]. В соответствии с этим расчет чувствительности произведен по формуле 14ОіРјР´РјРєР´С‚=UРІС...Р´в€TM10-310PРјРєР´С‚10+3´>(6.2)

 

14ОіРјР´РјРєР´С‚=UРІС...Р´в€TM10-310PРјРєР´С‚10+3´> (6.2)

Зависимость чувствительности от мощности для детектора Д42-20 в разных масштабах приведена на рисунке 6Рисунок 6.2. Изменение мощности производилось с шагом 1дБм.

При проведении эксперимента измеренное выходное напряжение на детекторе изменялось от 0.004 до 33.112 мВ. Абсолютная погрешность милливольтметра APPA - 305 в диапазоне измерения напряжения до 40 мВ рассчитывается по выражению 6.3

, (6.3)

где Х - измеренное значение.

Из выражения (6.3) видно, что минимальная абсолютная погрешность не менее 8 мкВ. В таблице Таблица 6.1 приведены все данные эксперимента с расчетом погрешностей.

Таблица 6.1- экспериментальные данные.

Pвх

U, мВ

U, В

чувствительность

абс.погр, В

отн. Погрешность, %

-19,07

14,85

0,01485

0,834206

0,00001691

0,113872054

-20,1

11,826

0,011826

0,826346

1,50956E-05

0,127647556

-21,13

9,455

0,009455

0,815339

0,000013673

0,144611317

-22,05

7,69

0,00769

0,811099

0,000012614

0,164031209

-23,08

6,118

0,006118

0,804249

1,16708E-05

0,190761687

-24,13

4,828

0,004828

0,800263

1,08968E-05

0,225700083

-25,23

3,82

0,00382

0,785121

0,000010292

0,269424084

-26,02

3,145

0,003145

0,795022

0,000009887

0,314372019

-27,06

2,485

0,002485

0,791906

0,000009491

0,38193159

-27,96

2,02

0,00202

0,79186

0,000009212

0,456039604

-28,99

1,598

0,001598

0,789629

8,9588E-06

0,560625782

-30,03

1,255

0,001255

0,791328

0,000008753

0,697450199

-31,07

0,992

0,000992

0,787931

8,5952E-06

0,866451613

-32,97

0,639

0,000639

0,789767

8,3834E-06

1,311956182

-33,01

0,634

0,000634

0,788698

8,3804E-06

1,321829653

-34,04

0,5

0,0005

0,788915

0,0000083

1,66

-35,09

0,393

0,000393

0,788147

8,2358E-06

2,09562341

-35,91

0,325

0,000325

0,789072

0,000008195

2,521538462

-36,95

0,255

0,000255

0,791516

0,000008153

3,197254902

Таблица 6.2- продолжение

-37,85

0,208

0,000208

0,788745

8,1248E-06

3,906153846

-38,91

0,162

0,000162

0,793387

8,0972E-06

4,998271605

-39,92

0,127

0,000127

0,80204

8,0762E-06

6,359212598

-40,96

0,103

0,000103

0,778328

8,0618E-06

7,826990291

-41,87

0,083

0,000083

0,783289

8,0498E-06

9,698554217

-42,92

0,064

0,000064

0,797664

8,0384E-06

12,56

-43,95

0,051

0,000051

0,789641

8,0306E-06

15,74627451

-44,97

0,039

0,000039

0,816461

8,0234E-06

20,57282051

-45,8

0,035

0,000035

0,751505

0,000008021

22,91714286

-46,8

0,027

0,000027

0,773813

8,0162E-06

29,68962963

-46,82

0,027

0,000027

0,770258

8,0162E-06

29,68962963

-47,75

0,023

0,000023

0,729915

8,0138E-06

34,8426087

-48,75

0,017

0,000017

0,784424

8,0102E-06

47,11882353

-49,83

0,014

0,000014

0,7428

8,0084E-06

57,20285714

-50,84

0,011

0,000011

0,749216

8,0066E-06

72,78727273

 

При входной мощности менее - 38 дБм относительная погрешность измерения напряжения на входе детектора превышает 5%, что обуславливает большие выбросы на рисунке 6Рисунок 6.3.

Зависимость чувствительности от мощности для детектора Д4 - 20 в разных масштабах приведена на рисунке Рисунок 6.3. Изменение мощности производилось с шагом 1дБм.

Выводы по результатам эксперимента:

При проведении эксперимента, по схеме, описанной на рис. 6.2, наибольшую погрешность на общие измерения вносит милливольтметр APPA-305. Данный милливольтметр не позволяет провести точные измерения при подаче низких уровней мощностей на вход детектора. При входной мощности менее -38 дБм относительная погрешность измерения напряжения на выходе детектора превышает 5%, на уровнях ниже -48 дБм - 50%.

Квадратичный режим работы диода соблюдается на мощностях примерно от - 60 до - 20 дБм. Поэтому для экспериментального определения границ квадратичного режима необходимо использовать микрометр, позволяющий измерять десятые доли микрометров или использовать малошумящую схему усиления выходного сигнала детектора для увеличения напряжения до единиц милливольт и выше.

Значения чувствительности γ для детектора Д4 - 20 и Д42 - 20 различны, связанно это с тем что в детекторе Д42 - 20 используется двухдиодная схема, которая позволяет определить удвоенную амплитуду входного сигнала. Приблизительно значения чувствительности γ детекторов на линейном участке соотносятся 14Оі(Р"42-20)ОіРґ4-20≈2в€TM2´>

6.1.1 Расчёт погрешностей для эксперимента «Исследование чувствительность и границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42-20 и Д4-20».

В данном эксперименте существуют четыре основных источника погрешностей:

  • 1. Инструментальная погрешность Мультиметра АРРА-305;
  • 2. Инструментальная погрешность Измерителя мощности Agilent E4418B;
  • 3. Согласование экспериментальной установки;

Абсолютная и относительная погрешность мультиметра посчитана ранее, абсолютное значение погрешности не превышает 16 мкВ, относительная погрешность на квадратичном участке не превышает 7%.

Инструментальная погрешность измерителя мощности по данным предоставленным производителем:

а)Абсолютная +0,02 дБ; б)Относительная +1%

Можно пренебречь погрешностью связанной с согласованием экспериментальной установки, в данном эксперименте не так много соединений, на которых могут возникать рассогласования. Так же измерения проводились на относительно низкой частоте 50 МГц.

•6.2 Исследование границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42-20

Цель: определение границ квадратичного режима работы диодов Avago HSCH - 9161

Для выполнения эксперимента использовались амплитудные детекторы Д42 - 20. Д42 - 20 содержит 2х диодную схему детектирования, что позволяет определить удвоенную амплитуду входного гармонического сигнала. Для получения более объективных результатов эксперимент проводился с тремя диодными детекторами Д42 - 20

При работе диодов детектора в квадратичном режиме справедливо следующее соотношение:

P=γ·Uд,, (6.4)

где P - входная мощность, Вт;

- чувствительность, Вт/В;

- выходное напряжение детектора, В.

То есть зависимость между выходным напряжением и входной мощностью линейная. В ходе эксперимента снималась зависимость выходного напряжения от входной мощности, на частотах 100 МГц и 18 ГГц. Для проведения эксперимента была написана программа, позволяющая автоматизировать процесс. Измерения проводились в режиме «АС», с большим усреднением. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке.

Входная мощность детектора изменялась от (-66) дБм до (-6) дБм. Это достигалось путем изменения ослабления аттенюатора, а также постоянным ослаблением сплиттера - 6 дБ.

Детекторные характеристики детекторов на частоте 100 МГц приведены на рисунке 6.5.

На рисунке 6.5 а), б) и в) сплошной линией показана экспериментально снятая зависимость выходного напряжения от входной мощности, а пунктиром идеализированная прямая линейной зависимости напряжения от мощности. Видно, что экспериментальная кривая начинает отклоняться от идеализированной прямой в районе 141в€TM10-5Р´С‚´>, это соответствует уровню входной мощности в 14-20дБм´>, на рисунке 2 в) прямая начинает отклоняться на уровне Вт, это соответствует уровню входной мощности 14-14 дБм´>.

Так же по экспериментальным данным была рассчитана чувствительность по формуле (6.5), по расчётным данным получены графики чувствительности, представленные на рисунке 3.

Верхняя граница квадратичного режима работы в диодах, если судить по графикам детекторной характеристики, на уровне -20дБм или 141в€TM10-5Р´С‚´>. Определение значения нижней границы работы диодов Avago HSCH - 9161, очень зависимо от устройства фиксирующего выходное напряжение детектора. В нашем случае на уровнях мощности ниже - 40 дБм отцифровывающая плата МА скалярного анализатора цепей Р2М - 18, не позволяла осуществлять измерения с высокой точностью. Если анализировать полученные данные, то можно сказать что квадратичный режим работы начинается от уровня порядка - 40 дБм и заканчивается примерно на уровне - 20дБм.

Как можно видеть из графиков ошибки (Рис.3) не все аппроксимирующие прямые были подобранны верно, но всё равно при этом можно судить о линейном участке. Два из трёх детекторов имеют «выбросы» в районе - 20 дБм. Эти «выбросы» обусловлены переходом из квадратичного закона детектирования к линейному. О нижней границе сложно судить по причине того что аппроксимирующая прямая строилась не в логарифмическом масштабе и это затрудняет определение нижнего порога.

Для детектора №1 детектора №2 для детектора № 3

Видно, что чувствительность, а так же уровень выходного напряжения для детекторов разный. Это связанно с тем, что несмотря на хорошую повторяемость детекторы, имеют расхожие детекторные характеристики. Поэтому для корректного измерения мощности необходимо будет учитывать детекторную характеристику каждого отдельного детектора.

 

Детекторные характеристики детекторов №2 и №3 на частоте 18 ГГц приведены на рисунке 6.8.

Так же по экспериментальным данным была рассчитана чувствительность по формуле (6.2), по расчётным данным получены графики чувствительности, представленные на рисунке 6.9.

Анализируя графики, можно видеть, что на частоте 18 ГГц, границы квадратичного режима детектирования не изменились. Несмотря на то, что не все элементы экспериментальной установки позволяли производить адекватные измерения на частоте 18 ГГц, это не повлияло губительно на результаты эксперимента, основные закономерности чётко прослеживаются и подтверждают ранее полученные результаты.

 

Выводы по результатам эксперимента:

Верхняя граница квадратичного режима работы в диодах, если судить по графикам детекторной характеристики, на уровне -20дБм или 141в€TM10-5Р´С‚´>. Значение нижней границы работы диодов Avago HSCH - 9161, очень зависима от устройства фиксирующего выходное напряжение детектора, в нашем случае на уровнях мощности ниже - 40 дБм отцифровывающая плата МА скалярного анализатора цепей Р2М - 18, не позволяла осуществлять корректные измерения. Если анализировать полученные данные, то можно сказать что квадратичный режим работы начинается от уровня порядка - 40 дБм и заканчивается примерно на уровне - 20дБм.

Чувствительность в квадратичном режиме для двух детекторов близка по значению, для детектора №1 14Оі=1.5РјР´/РјРєР´С‚´>, в свою очередь для детектора №2 14Оі=1.1РјР´/РјРєР´С‚´>

Видно что чувствительность, а так же уровень выходного напряжения для детекторов разный. Это связанно с тем что не смотря на хорошую повторяемость детекторы имеют расхожие детекторные характеристики. Поэтому для корректного измерения мощности необходимо будет учитывать детекторную характеристику каждого отдельного детектора.

6.2.1 Расчёт погрешностей для эксперимента «Исследование границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42-20».

В данном эксперименте существуют четыре основных источника погрешностей:

  • 1. Инструментальная погрешность скалярного анализатора цепей Р2М- 18;
  • 2. Инструментальная погрешность Измерителя мощности Agilent E4418B;
  • 3. Согласование экспериментальной установки;

Инструментальная погрешность скалярного анализатора цепей Р2М - 18 по данным предоставленным производителем рассчитывается по формуле

Погрешность= (6.6)

где А - измеренное значение

Предельная допускаемая относительная погрешность измерений:

+0,4 дБ = +12%

Инструментальная погрешность измерителя мощности Agilent E4418B, по данным предоставленным производителем:

а) Абсолютная +0,02 дБ; б) Относительная +1%

Можно пренебречь погрешностью связанной с согласованием экспериментальной установки, в данном эксперименте не так много соединений, на которых могут возникать рассогласования.

 

•6.3 Определение оптимального распределения зон детектирования детектора среднеквадратичного значения мощности.

Введение: Было проведено два эксперимента, в них исследовалась схема, используемая для расширения динамического диапазона входной мощности, «Делитель - Аттенюатор - Детектор», аналогичная схеме компании «Anritsu Technologies» [6]. В схеме использовались детекторы Д42-20 ЗАО «НПФ «Микран».

Цель: поиск оптимального распределения рабочих областей детекторов по динамическому диапазону входной мощности, поиск оптимальных перекрытий рабочих областей, экспериментальный выбор номиналов аттенюаторов.

6.3.1 Эксперимент с контролем мощности, поступающей на детектор.

Эксперимент проводился со схемой «Делитель - Аттенюатор - Детектор». Особенность эксперимента - это контроль мощности поступающей на вход детектора.

Схема экспериментальной установки приведена на рис.6.11.

Источником сигнала в схеме служил внутренний генератор скалярного анализатора цепей Р2М - 18 со встроенным аттенюатором. Мощность варьировалась в диапазоне минус 60дБм - плюс 20дБм. Измерения проводились на частоте 10 ГГц, эта частота была выбрана по причине того, что используемые в схеме делители мощности компании Pasternack Enterprises имеют наилучшую линейность характеристик именно на этой частоте (было экспериментально проверено на скалярном анализаторе цепей Р2М - 18). Эти делители мощности имеют ослабление 3дБ. Так же в схеме использовался делитель мощности с ослаблением 6дБ, он был необходим для контроля входной мощности, подаваемой на детектор. Каждый из трёх детекторов должен детектировать сигнал определённого уровня. Для того чтобы этот сигнал попадал в область квадратичного детектирования детектора, в схему включены аттенюаторы, номиналы ослабления которых были выбраны 10дБ и 17дБ соответственно. В эксперименте использовались детекторы Д42-20, границы квадратичного режима которых исследовались ранее.

Детектор «С» детектировал сигналы с самым низким уровнем мощности. Детектор «В» детектировал сигналы среднего уровня входной мощности. Детектор «А» детектировал самые сильные сигналы.

Суммарное ослабление в плече детектора «С» 9дБ, он складывается из ослабления двух делителей мощности (3дБ+6дБ). Суммарное ослабление в плече детектора «В» 22дБ, оно складывается из суммы ослаблений делителей мощности и аттенюатора (3дБ+10дБ+3дБ+6дБ). Суммарное ослабление в плече детектора «А» 39дБ, оно складывается из суммы ослаблений делителей мощности и двух аттенюаторов (3дБ+10дБ+3дБ+17дБ+6дБ).

Измерения проводились поочерёдно для каждого детектора. Это связанно с тем, что контроль мощности можно было осуществлять только для одного детектора единовременно. Измеритель мощности Agilent E4418B поочерёдно контролировал мощность на входе детектора.

В результате эксперимента была получена зависимость выходного напряжения детекторов от мощности на входе детектора, учитывая ослабления плечей детекторов можно говорить о том, что получена зависимость выходного напряжения детекторов от мощности на входе всей схемы. На основе анализа данных результатов были получено следующее.

Рассчитаны детекторные характеристики детекторов, зависимость выходного напряжения в мВ и входной мощности в Ваттах. Данные графики схожи для трёх детекторов по характеру, по этой причине приведём один рис.6.12. Отличия для трех детекторов наиболее наглядны на графиках отклонений от прямой линии (см. рис. 6.13). Линии были получены путем аппроксимации экспериментальных точек. Данные аппроксимировались прямой, для того чтобы оценить линейность характеристики. В виду того что исходные данные содержат в себе точки не входящие в линейный участок их аппроксимация дала бы неверную прямую, по этой причине аппроксимировались лишь области в которых должен соблюдаться линейный закон. Аппроксимирующая прямая изображена пунктирной линией на рис.6.12.

Рассчитано отклонение (ошибка) детекторной характеристики от аппроксимирующей прямой в процентах, рис.6.15. Этот график позволит более наглядно судить о линейности экспериментальной детекторной характеристики.

Для детекторов «А» и «С» в диапазоне входной мощности от минус 45дБм до минус 23дБм отклонение не превысило 2,5% . У детектора «В», отклонение его детекторной характеристики от аппроксимирующей прямой больше, нежели у других, но в диапазоне минус 38дБм до минус 20дБм не превышает 3%.

Так же по имеющимся данным можно рассчитать чувствительность детекторов, коэффициент показывающий связь между мощностью и напряжением.

 

где - чувствительность;

UД - выходное напряжение детектора;

P - входная мощность детектора;

 

среднее детектора «С» = 1,136 [мВ/мкВт]

среднее детектора «В» = 0,193 [мВ/мкВт]

среднее детектора «А» = 1,187 [мВ/мкВт]

Анализируя графики и расчёты, можно видеть, что отклонение детекторной характеристики от аппроксимирующей линии детектора «В» больше чем у остальных, это связанно с тем, что он обладает самой маленькой чувствительностью по сравнению с остальными детекторами. Разница чувствительностей детекторов обусловлена «неповторяемотью» характеристик диодов и особенностью производства детекторных головок, в дальнейшем необходимо изучить влияние этих причин.

Для анализа работы схемы в целом, с учётом ослабления в плечах рассмотрим графики приведённые ниже.

На рис.6.14 приведена детекторная характеристика всех детекторов с учётом ослабления в плечах, которая, по сути, отражает детекторную характеристику схемы в целом. Непрерывной линией представлена детекторная х-ка детектора «С», точкой-тире детекторная х-ка детектора «В», штрихами представлена детекторная х-ка детектора «А».

На рис.6.15 приведён график отклонения от аппроксимирующих прямых всех детекторов. Красной линией описывается отклонение детектора «С», синей описывается отклонение детектора «В», зелёной описывается отклонение детектора «А».

Анализирую данные графики можно сказать, что можно использовать другие номиналы аттенюаторов для более оптимального, нежели в данном эксперименте, распределения рабочих участков детекторов по динамическому диапазону входной мощности. Более оптимальным, будет ослабление на плечо детектора «В» 17дБ, на данный момент суммарное ослабление на плечо 22дБ. Изменение ослабления в плече позволит сместить рабочую область детектора «В» в область чуть меньшей входной мощности, благодаря чему будет достигнуто лучшее перекрытие динамического диапазона входной мощности. Учитывая то, что в итоговом устройстве не будет потребности в делителе мощности с ослаблением на 6дБ, используемом для контроля мощности на входе детектора, то номинал ослабления аттенюатора должен быть 10дБ.

Математически смоделируем изменение ослабления в плече и получим следующий график отклонения, рис.6.16 Можно видеть, что с таким ослаблением мы можем обеспечить отклонение в диапазоне минус 40дБм плюс 17дБм, не превышающее 3%.

 •6.3.2 Эксперимент с контролем мощности на входе схемы

Эксперимент проводился со схемой «Делитель - Аттенюатор - Детектор». Особенность эксперимента - это контроль мощности поступающей на вход всей схемы. Так же был заменён детектор «В», имевший низкую чувствительность в сравнении с остальными детекторами. Для этого эксперимента были выбраны другие номиналы ослабления аттенюаторов, 13дБ и 20дБ соответственно. За счёт этого изменились суммарные ослабления в плечах. Суммарное ослабление в плече детектора «С» осталось прежним 9дБ. Суммарное ослабление в плече детектора «В» 25дБ, оно складывается из суммы ослаблений делителей мощности и аттенюатора (6дб+3дБ+13дБ+3дБ), Суммарное ослабление в плече детектора «А» 25дБ, оно складывается из суммы ослаблений трёх делителей мощности и двух аттенюаторов (6дб+3дБ+13дБ+3дБ+20дБ).

Ход эксперимента полностью повторял ход эксперимента с контролем мощности поступающей на детектор

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 6.17.

Рассчитаны детекторные характеристики детекторов, зависимость выходного напряжения в мВ и входной мощности в Ваттах. Данные графики схожи для трёх детекторов по характеру, по этой причине приведём один рис.6.18.

Рассчитано отклонение (ошибка) детекторной характеристики от аппроксимирующей прямой в процентах. Этот график позволит более наглядно судить о линейности экспериментальной детекторной характеристики.

Так же по имеющимся данным можно рассчитать чувствительность детекторов, коэффициент показывающий связь между мощностью и напряжением (6.2).

среднее детектора «С» = 1,049 [мВ/мкВт]

среднее детектора «В» = 1,036 [мВ/мкВт]

среднее детектора «А» = 1,308 [мВ/мкВт]

Как можно видеть, отклонение от аппроксимирующей прямой в рабочем диапазоне невелико для всех детекторов, это связанно с тем, что все они обладают чувствительностью примерно одного порядка. Для детекторов «С» и «А» отклонение в полосе от минус 45дБм до минус 23дБм не превышает 3%, отклонение детектора «В» в полосе минус 52дБм минус 20дБм не превышает 3%.

Для анализа работы схемы в целом, с учётом ослабления в плечах рассмотрим графики приведённые ниже.

На рис.6.20 приведена детекторная характеристика всех детекторов с учётом ослабления в плечах, которая, по сути, отражает детекторную характеристику схемы в целом. Непрерывной линией представлена детекторная х-ка детектора «С», точкой-тире детекторная х-ка детектора «В», штрихами представлена детекторная х-ка детектора «А».

На рис.6.21 приведён график отклонения от аппроксимирующих прямых всех детекторов. Красной линией описывается отклонение детектора «С», синей описывается отклонение детектора «В», зелёной описывается отклонение детектора «А».

Можно видеть, что с таким ослаблением мы можем обеспечить отклонение от прямой, в диапазоне минус 44дБм плюс 17дБм, не превышающее 3%.

 

Выводы по результатам эксперимента:

Было проведено два эксперимента, в обоих вариантах проведения эксперимента прослеживаются общие закономерности. Для наибольшей линейности рабочего участка необходима чувствительность порядка 1 [мВ/мкВт]. Это связанно с тем, что чем больше чувствительность, тем больше реакция на входное воздействие.

По итогам экспериментов можно сказать, что оптимальными номиналами ослабления на плечо должны быть 17дБ для плеча детектора «В» и 39дБ для плеча детектора «А» (см.рис.6.17). С такими ослаблениями детектор «А» будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 5дБм до 17дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 44дБм до минус 22дБм. Детектор «В» будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 20дБм до минус 5дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 37дБм до минус 21дБм. Детектор «С» будет работать входными сигналами, мощность которых будет ниже минус 20дБм.

Необходимо заметить, что детектор «С» работающий с сигналами самого низкого уровня мощности, должен обладать высокой чувствительностью для уменьшения погрешностей измерения.

В обработке данных экспериментов граничным критерием линейности принято 3% отклонение от аппроксимирующей прямой, в дальнейшем необходимо оценить возникающую в связи с этим отклонением ошибку и исходя из этих соображений, формировать критерий линейности.

6.3.3 Расчёт погрешностей для эксперимента «Определение оптимального распределения зон детектирования детектора среднеквадратичного значения мощности».

 

В данном эксперименте существуют четыре основных источника погрешностей:

  • 1. Инструментальная погрешность скалярного анализатора цепей Р2М- 18;
  • 2. Инструментальная погрешность Измерителя мощности Agilent E4418B;
  • 3. Согласование экспериментальной установки;
  • 4. Отклонение от номинала коэффициентов ослабления делителей мощности и аттенюаторов.

 

Инструментальная погрешность скалярного анализатора цепей Р2М - 18 по данным предоставленным производителем рассчитывается по формуле

Погрешность= (6.6)

где А - измеренное значение

Предельная допускаемая относительная погрешность измерений:

+0,4 дБ = +12%

Инструментальная погрешность измерителя мощности Agilent E4418B, по данным предоставленным производителем:

а) Абсолютная +0,02 дБ; б) Относительная +1%

В эксперименте с контролем мощности поступающей на детектор, можно пренебречь погрешностью возникающей за счёт отклонения от номиналов коэффициентов ослабления делителей мощности и аттенюаторов, так как уровень входной мощности контролируется на входе детектора, мы получаем значение мощности уже с учётом отклонений.

В эксперименте с контролем мощности поступающей на вход схемы необходимо учитывать погрешность, возникающую за счёт отклонения от номинала коэффициентов ослабления делителей мощности и аттенюаторов, так как измеренный уровень мощности не однократно изменяется от входа экспериментальной установки до входа детектора. Учитывать эти погрешности необходимо как не исключённые остатки систематических погрешностей. Они суммируются согласно формуле

, (6.7)

в нашем случае равен 1,1 это связанно с доверительным интервалом для данного эксперимента.

Учитывая тот факт, что сигнал проходит разный путь от входа схемы до входа детектора погрешность, связанная с отклонением от номинала коэффициентов ослабления делителей мощности и аттенюаторов, для каждого детектора будет разной.

 

Для детектора «С» =6,4%

Для детектора «В» =6,7%

Для детектора «В» =7,8%

Соответственно они складывается с инструментальной погрешность Измерителя мощности Agilent E4418B приведённой выше. Таким образом, можно получить погрешность измерения уровня мощности поступающей на вход детектора.

 


•7 Исследование детекторной характеристики логарифмического детектора Analog Devices 8318

Цель: определение границ рабочего участка логарифмического детектора (преобразователя) Analog Devices 8318

Источником сигнала в схеме служил внутренний генератор скалярного анализатора цепей Р2М - 18, рис.7.1. Измерения велись на частоте 50 МГц и 6 ГГц. Сигнал поступал на вход усилителя мощности Mini - Circuits. Далее сигнал поступал на сплиттер, разделявший сигнал по палам и ослабляющий его на 6 дБ. Сигнал из одного плеча поступал на измеритель мощности Agilent для контроля уровня мощности поступающего на вход логарифмического детектора. Сигнал из другого плеча поступал на аттенюатор с ослаблением 30 дБ, а далее на вход логарифмического детектора. Для измерений при уровне мощности более 0дБм, аттенюатор выключался из схемы. Сигнал с выхода логарифмического детектора снимался с помощью вольтметра.

В результате были получены зависимости выходного напряжения логарифмического детектора от уровня входной мощности. Полученная характеристика приведена на рисунке 7.2. Сплошной линией отображена экспериментальная зависимость, прерывистой линией идеализированная прямая, полученная после аппроксимации данных. Для исключения точек явно отстоящих от прямой и способных внести ошибку при аппроксимации, идеализированная прямая была получена при аппроксимации не всех данных, были исключены крайние точки.

Так же был построен график отклонения экспериментальной прямой от идеализированной линии в процентах, рис.7.3. Этот график позволит судить о линейности экспериментально полученных данных и о границах рабочего участка.

В соответствии с данными по прибору абсолютная погрешность APPA-305 в диапазоне измерения напряжения, рассчитывается по выражению

, (7.1)

где Х - измеренное значение.

Из выражения (7.1) видно, что минимальная абсолютная погрешность для частоты 50 МГц не менее 313 мкВ. Относительная погрешность не превышает 0,062%

Вывод:

По результатам эксперимента видно, что нижняя граница линейного участка детекторной характеристики находится в районе минус 55дБм. Сверху линейный участок ограничен точкой 0дБм. На этом промежутке отклонение экспериментальной линии от идеализированной линии не превышает 2% для частоты 50 МГц и не превышает 5% для частоты 6 ГГц.

Сравнивая полученные данные и данные от производителя видно можно смело говорить об идентичности.

Данное устройство способно обеспечить измерения в динамическом диапазоне входной мощности 55дБм, используя малошумящие усилители и аттенюаторы можно изменять положение границ рабочего режима устройства.

7.1.1 Расчёт погрешностей для эксперимента «Исследование детекторной характеристики логарифмического детектора Analog Devices 8318».

В данном эксперименте существуют четыре основных источника погрешностей:

  • 1. Инструментальная погрешность Мультиметра АРРА-305;
  • 2. Инструментальная погрешность Измерителя мощности Agilent E4418B;
  • 3. Согласование экспериментальной установки;

Абсолютная и относительная погрешность мультиметра посчитана ранее, абсолютное значение погрешности не превышает 313 мкВ, относительная погрешность на квадратичном участке не превышает 0,062%.

Инструментальная погрешность измерителя мощности по данным предоставленным производителем:

а)Абсолютная +0,02 дБ; б)Относительная +1%

Можно пренебречь погрешностью связанной с согласованием экспериментальной установки, в данном эксперименте не так много соединений, на которых могут возникать рассогласования.

 

•8 Итоги разработки устройств

•8.1 Устройство детектирования на основе диодного детектора

Основой устройства будут детекторы компании ЗАО «НПФ «Микран» Д42 - 20. Это двух диодное детекторы позволяющие проводить довольно точные измерения в достаточно широкой полосе частот. Обусловлено это тем, что диоды Avago HSCH - 9161 имеют широкую рабочую полосу частот. Схема детектора Д42 - 20 приведена на рисунке 8.1.

 

Таблица 8.1 - Номиналы элементов диодного детектора

Обозначение

Наименование

количество

C1

Конденсатор АТС 545L 100 нФ

1

Таблица 8.1 - Продолжение

C2, С3

Конденсатор МЕС 100 пФ

2

R1, R2

Резистор 50 Ом

2

R3

Резистор 50 Ом

1

VD1, VD2

Диод HSCH - 9161 Avago Technologies

2

 

Проанализировав итоги проведённых экспериментов, для разделения сигнала выбраны делители мощности, их ослабление 6дБ. Номиналы ослабления аттенюаторов выбраны 10дБ и 17дБ соответственно. Итоговая схема устройства приведена на рисунке 8.2.

Детектор №1 будет работать с сигналами с самым высоким уровнем мощности, от минус 5дБм до 20дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 44дБм до минус 22дБм. Детектор №2 будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 20дБм до минус 5дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 37дБм до минус 21дБм. Детектор №3 будет работать входными сигналами, мощность которых будет ниже минус 20дБм.

 

•8.2 Устройство детектирования на основе логарифмического детектора

Основой данного устройства послужит логарифмический детектор компании Analog Device, AD8318. Этот усилитель работает в полосе частот 0,001...8 ГГц. Логарифмический детектор AD8318 работает в линейном режиме в диапазоне от минус 60 дБм до 0 дБм. Функциональная схема логарифмического детектора AD8318 приведена на рисунке 8.3. [9]

Данное устройство позволит измерять реальное среднеквадратичное значение уровня мощности сигнала в динамическом диапазоне входной мощности от минус 30 дБм до 30 дБм. Такие границы динамического диапазона входной мощности позволит обеспечить аттенюатор с ослаблением 30 дБ, при необходимости можно изменять номинал ослабления аттенюатора, за счёт этого можно изменить положение рабочего диапазона устройства. В устройстве будет использоваться аттенюатор производства компании ЗАО «НПФ «Микран», тестирование которого прошло во время эксперимента с логарифмическим детектрором.

•9 Технико-экономическое обоснование

•9.1 Обоснование целесообразности разработки

Современный рынок измерителей мощности заполнен в основном продукцией зарубежных производителей. Наиболее известные компании - Agilent technologies, Anritsu technologies - предоставляют потребителям широкий ассортимент измерителей мощности, позволяющий измерять как среднее, так и пиковое значение мощности. Широкое распространение получили измерители мощности, построенные на основе диодных детекторов. Измерители мощности российского производства уступают зарубежным по основным показателям:

  • 1. Точность
  • 2. Минимальная нижняя граница динамического диапазона входной мощности
  • 3. Ширина динамического диапазона входной мощности
  • 4. Отсутствие возможности измерения пиковой мощности

Вследствие описанных причин для России актуальна разработка измерителей среднеквадратичного значения мощности, с дальнейшей возможностью до усовершенствования для получения возможности измерения пиковой мощности, способных конкурировать с зарубежными производителями.

 

Сравним разрабатываемые устройства детектирования с базовым устройством диодным детектором Д42 - 20, по некоторым общим показателям и для этого воспользуемся комплексным показателем качества разрабатываемого научно-технического продукта:

- комплексный показатель качества разрабатываемого научно-технического продукта по группе показателей;

- число рассматриваемых показателей;

- коэффициент весомости i-го показателя в долях единицы, устанавливаемый экспертным путем (сумма весов всех рассматриваемых показателей должна составлять единицу);

- относительный показатель качества, устанавливаемый экспертным путем по выбранной шкале оценивания (5 -балльная шкала)

Результаты сравнения системы и аналога сведены в таблицу 9.1.

 

Таблица 9.1 - Результаты сравнения детектирующего устройства на основе диодного детектора и аналога

Показатель качества научно-технического продукта

Коэф. весомости Bi

Разрабатываемое устройство

Продукт-аналог

Д42 - 20

 

Xi

Bi×Xi

Xi

Bi×Xi

1. Точность.

0,2

5

1

4

0,8

2. Ширина динамического диапазона

0,3

5

1,5

3

0,9

3. Возможность измерения пиковых значений мощности

0,2

5

1

1

0,2

4. Ширина рабочей полосы частот

0,2

5

1

5

1

4. Надёжность

0,1

5

0,5

4

0,4

Комплексный показатель эксплуатационно-технического уровня

5

3,3

 

Как видно из таблицы 9.1 разрабатываемое устройство имеет более высокий показатель эксплуатационно-технического уровня из требуемых характеристик по сравнению с базовым детектором Д42 - 20.

Таблица 9.2 - Результаты сравнения детектирующего устройства на основе логарифмического детектора и аналога

Показатель качества научно-технического продукта

Коэф. весомости Bi

Разрабатываемое устройство

Продукт-аналог

Д42 - 20

 

Xi

Bi×Xi

Xi

Bi×Xi

1. Точность.

0,2

4

0,8

4

0,8

2. Ширина динамического диапазона

0,3

4

1,2

3

0,9

3. Возможность измерения пиковых значений мощности

0,2

3

0,6

1

0,2

4. Ширина рабочей полосы частот

0,2

3

0,6

5

1

4. Надёжность

0,1

4

0,4

4

0,4

Комплексный показатель эксплуатационно-технического уровня

3,6

3,3

Как видно из таблицы 9.2 разрабатываемое устройство имеет более высокий показатель эксплуатационно-технического уровня из требуемых характеристик по сравнению с базовым детектором Д42 - 20.

 

•9.2 Организация и планирование работы

Для нахождения наиболее эффективного пути решения поставленных задач необходимо рационально спланировать свою работу, для этого нужно провести отбор и обоснование комплекса работ.

Для разработки проекта было задействовано несколько человек: руководитель проекта; исполнитель (инженер).

Руководитель дает постановку задачи и отвечает за общее руководство по ходу выполнения проекта. Исполнитель (инженер) отвечает за анализ, проектирование, модернизацию, расчет, оформление текстовых документов и чертежей.

При составлении планов комплекса работ используются в основном сетевые и линейные методы планирования. Поскольку данная разработка не велика по объему и не требует большого состава исполнителей, то в данной работе будем использовать ленточный метод планирования. Для построения ленточного графика необходимо разработать перечень работ.

Составление перечня работ необходимо для определения трудоемкости отдельных видов работ и общей трудоемкости выполнения дипломного проекта.

Перечень этапов и видов работ, выполняемых при разработке темы, приведен в таблице 9.3.

Для определения ожидаемой продолжительности работы применим вариант использованием трех вероятностных оценок деятельности работ: .

 

где - минимальное возможное время выполнения работы;

- максимальное возможное время выполнения работы;

Для перевода рабочих дней в календарные используется коэффициент календарности :

где tкал - календарное число дней в году tкал = 365;

tпр, tвых - число праздничных и выходных дней в году.

При выполнении НИР можно принимать Ккал = 1.44, полученный из соотношения ( 365 / 365 - 8 - 104).

Время выполнения НИР в календарных днях с учетом количества исполнителей (Н) находится по формуле:

где n - количество этапов

Определив время выполнения каждого этапа в календарных днях, строим линейный график.

Оценка трудоемкости отдельных этапов работ приведена в таблице 9.3. Все расчеты сделаны согласно формуле (9.2) и (9.3).

Таблица 9.3 - Распределение работ проекта по этапам

№ этапа

Наименование этапа работ

Исполнители

tмин, раб. Дней

tмакс, раб дней

Tож, раб. Дней

Tож, календ. Дней

1

Ознакомление с заданием, составление плана работ

Инженер

2

3

2,4

3,46

Руководитель

1

2

1,4

4,89

2

Составление и оформление
технического задания (ТЗ)

Инженер

1

2

1,4

2,02

Руководитель

1

1

1

1,4

3

Согласование и утверждение ТЗ

Инженер

2

3

1,8

2,59

Руководитель

1

1

1

1,44

4

Накопление материалов
для изучения

Инженер

4

5

3,8

5,47

5

Изучение основ измерения мощности

Инженер

4

7

5,2

7,49

6

Обзор имеющихся на рынке схемных решений

Инженер

5

6

4,2

6,05

7

Выбор и обоснование схемотехнического решения диодного детектора

Инженер

6

9

7,2

10,37

Таблица 9.3 - Продолжение

7

Выбор и обоснование схемотехнического решения диодного детектора

Руководитель

1

2

1,4

2,02

8

Моделирование Диода в САПР

Инженер

6

9

5,4

7,78

9

Выбор и обоснование схемотехнического решения устройства на основе логарифмического детектора

Инженер

5

6

4,4

6,34

Руководитель

1

1

1

1,4

10

Экспериментальное определение параметров диодных детекторов

Инженер

5

6

5,4

7,78

Руководитель

1

2

1,4

2,02

11

Исследование границ квадратичного режима работы диодов используемых в детекторах.

Инженер

6

7

6,4

9,22

Руководитель

1

1

1

1,4

12

Определение оптимального распределения зон детектирования, детектора среднеквадратичного значения мощности

Инженер

6

7

6,4

9,22

Руководитель

1

1

1

1,4

13

Экспериментальный выбор и обоснование, рабочей области устройства на основе логарифмического детектора

Инженер

3

5

3,4

4,9

Руководитель

1

2

1,44

2,02

14

Проработка и согласование вопросов безопасности жизнедеятельности

Инженер

2

4

2,8

4,03

Таблица 9.3 - Продолжение

15

Проработка и согласование технико-экономического обоснования

Инженер

2

4

2,8

4,03

16

Оформление пояснительной записки и презентации

Инженер

15

20

17

24,48

17

Проверка пояснительной записки и презентации

Руководитель

1

3

1,8

2,59

Общее количество дней

Руководитель

 

 

13

18

Инженер

 

 

84

120

Планирование работ произведем с помощью ленточного графика (рис. 9.1). Ленточный график - это графическая модель с указанием перечня работ и организационно-экономических характеристик всех работ, сроков и последовательности их выполнения, отражаемых совокупностью упорядоченных во времени горизонтальных линий. Достоинствами данного графика являются относительная простота, наглядность и возможность отражения содержания работ.

Таблица 9.4 - Оценка трудоёмкости отдельных видов работ

№ этапа

Наименование этапа работ

Исполнители

tмин, раб. Дней

tмакс, раб дней

Tож, раб. Дней

Tож, календ. Дней

1

Изготовление платы устройства

Инженер

2

2

2

2,88

2

Монтаж комплектующих на плату

Инженер

1

2

1,4

2,02

3

Монтаж платы детекторного устройства в измеритель мощности

Инженер

1

1

1

1,44

4

Настройка измерителя мощности

Инженер

1

2

1,4

2,02

5

Поверка устройства

Инженер

1

2

1,4

2,02

 

Инженер

 

 

7,2

10,37

 

•9.3 Расчёт затрат на разработку проекта

9.3.1 Определение основных экономических показателей

При проектировании важно знать экономические показатели, которые наряду с техническими характеристиками будут определять эффективность разработки. При проведении работы учитываются следующие статьи затрат: основные материалы и комплектующие изделия; покупные и комплектующие изделия; основная и дополнительная заработная плата исполнителей; отчисления по единому социальному налогу; затраты на специальное оборудование; затраты на услуги сторонних организаций; накладные расходы; прочие прямые расходы.

Общую сумму затрат на разработку можно рассчитать, исходя из формулы:  

где К - единовременные затраты на проведение исследований;

ФЗП - фонд заработной платы исполнителей работы (ОЗП+ДЗП);

ОЗП - основная заработная плата;

ДЗП - дополнительная заработная плата;

М - стоимость материалов;

АО - амортизационные отчисления;

ЗА - затраты на аренду;

ЗЭ -затраты на электроенергию;

Рассмотрим каждый пункт в отдельности.

9.3.2 Расчет затрат на материалы и комплектующие

Расходы на материалы и комплектующие проекта приведены в таблице 9.5.

Таблица 9.5 - Затраты на материалы и покупные изделия

Наименование

Стоимость, руб.

Количество, шт.

Итого, руб.

1 Ручка шариковая

10

1

10

2 Тетрадь (48 л.)

20

1

9

Таблица 9.5 - Продолжение

3 Бумага А4

120

1 упаковка

(500 листов)

120

4 Картридж

210

1

210

5 Флеш память

(1 ГГб)

200

1

200

Папка для документов А4

40

1

40

Итого:

-

-

589

Таким образом, стоимость материалов и комплектующих изделий составила М=589 руб.

9.3.3 Расчет заработной платы

  •  Среднедневная ставка работника рассчитывается исходя из месячного оклада работника путём его деления на количество рабочих дней (22 дня). Основная заработная плата (ОЗП) считается путем умножения среднедневной ставки каждого работника на количество затраченных им на работу дней. При работе с вычислительной техникой (ВТ) к ОЗП добавляется прибавка в виде 10%. В статью дополнительные начисления на заработную плату (ДЗП) входит оплата отпусков, выполнение общественных обязанностей, не связанных с пребыванием на рабочем месте. В данном случае учтён только районный коэффициент составляющий 30 % от ОЗП. Так же требуется учесть размер отчислений на социальные нужды, которые составляют 34 % (единый социальный налог) от величины ОЗП и ДЗП. Данные расчётов сведены в таблицу 9.6.

Таблица 9.6 - Расчёт затрат на оплату работы исполнителей (заработная плата приводится в рублях)

Исполнитель

Количество трудодней

Месячный оклад

Среднедневная ставка

ОЗП

ОЗП с учетом влияния ВТ

Дополнительная

ЗП

Полная ЗП

ЕСН

Полные затраты на ЗП

Инженер

84

6900

314

26736

29410

8021

37430

12726

50157

Руководитель

13

17000

773

10049

11054

3015

14069

3658

17726

 

Итого

67883

  • -

Таким образом, итоговый фонд заработной платы (ФЗП) на разработку устройств детектирования для измерителя мощности составил:

ФЗП = 67883 руб., в том числе ставка единого социального налога СН=16384,17 руб.

9.3.4 Расчет затрат на амортизацию

Амортизационные отчисления характеризуются денежным эквивалентом износа оборудования в результате эксплуатации. Затраты на амортизацию вычислительной техники определяются по формуле:

где Цбал - балансовая стоимость j-го вида оборудования, руб. (20000 руб.);

НA - норма годовых амортизационных отчислений (НA =12.5 %/год);

gj - количество единиц j-го вида оборудования;

tpj - время работы j-го вида оборудования, час;

Фэф - эффективный фонд времени работы оборудования, час.

Эффективный фонд времени работы оборудования можно вычислить:  

где Dр - количество рабочих дней в году, 253 дня;

Нэ - норматив среднесуточной загрузки, 8 часов.

Dр=365(дней в году)-8(праздники)-104(выходные)=253(рабочих дней в году)

Фэф j = 253 дня 14в€TM´> 8 часов=2024 часа.

Рассчитаем затраты на амортизацию персональных ЭВМ инженера и руководителя для проекта.

Амортизационные отчисления АО = 959,2 рублей.

9.3.5 Расчет затрат на аренду помещения

Стоимость одного дня аренды помещения на человека в рублях определяются по формуле:

Сард = (Ка.S + Схв+ Сгв+ Скан)/Д, (9.7)

где S - занимаемая площадь помещения, S = 12 м2;

Ка - стоимость аренды одного квадратного метра, Ка = 500 руб/мес;

Схв - стоимость холодной воды (из расчета 10м3/чел*мес); Тариф: 13,45руб/ м3, Схв = 134,5 руб/мес;

Сгв - стоимость горячей воды (из расчета 0,2гкалл/чел); Тариф: 579,56руб/гкалл, Сгв = 115,91 руб/мес;

Скан - стоимость канализации (из расчета 12м3/чел*мес); Тариф:7,64руб/ м3, Скан =115,68 руб;

Д - количество дней в месяце, Д = 30.

Затраты на аренду помещения за всё время проектирования в рублях определяются по формуле:

где Тп - время, Тп = 120 дней.

Данные рассчитанные по формулам (9.7) и (9.8) для всех участников разработки приведены в таблице 9.7.

Таблица 9.7 - Затраты на аренду помещения во время работы над проектом

Участник

Стоимость аренды на 1 день (Сард),

руб.

Время работы (Тп),

дни

Затраты на аренду (Сар),

руб.

Руководитель

212,2

18

3819,6

Инженер

212,2

120

25464

 

Итого:

29283,6

В результате суммарные затраты на аренду помещения равны:

Сар=29283,6 руб.

9.3.6 Расчет затрат на электроэнергию

Затраты на электроэнергию Сэн в рублях рассчитаем следующим образом:

где Рп- потребляемая мощность вычислительной техники;

Сэч- стоимость одного киловатта электроэнергии в час, Сэч=1,51 руб;

Ч- время работы с вычислительной техникой;

В таблице 9.8 приведены потребляемая мощность используемых приборов и основные расчетные данные в соответствии с формулой (9.9).

 

Таблица 9.8 - Затраты на электроэнергию

Наименование

прибора

Потребляемая

Мощность(Рn),

кВт

Время работы(Ч),

час.

Затраты электроэнергию

(Сэн), руб.

Компьютер инженера

0,5

672

507

Компьютер руководителя

0,5

104

78,5

Принтер

0,2

10

3,5

 

Итого:

589

В результате суммарные затраты на электроэнергию составили 589 рублей.

9.3.7 Расчет затрат на материалы и комплектующие

Расходы на материалы и комплектующие производства устройств детектирования на основе диодного детектора приведены в таблице 9.9.

Таблица 9.9 - Затраты на материалы и покупные изделия

Наименование

Стоимость, руб.

Количество, шт.

Итого, руб.

1 Диоды Avago HSCH - 9161

1450

6

8700

2 Конденсатор ATC 545L 100 нФ

0,5

3

1,5

3 Резистор 50 Ом

0,3

3

0,9

4 Плата

2000

1

2000

5 Припой ПОС - 61

30

1 (катушка)

30

6 Флюс

25

1

25

Итого:

-

-

10757,4

Таким образом, стоимость материалов и комплектующих изделий составила М=10757,4 руб.

Расходы на материалы и комплектующие производства устройств детектирования на основе логарифмического детектора приведены в таблице 9.10.

Таблица 9.10 - Затраты на материалы и покупные изделия

Наименование

Стоимость, руб.

Количество, шт.

Итого, руб.

1 Чип логарифмического детектора Analog Device 8318

417,2

1

417,2

2 Плата

1500

1

1500

3 Припой ПОС - 61

30

1 (катушка)

30

4 Флюс

25

1

25

Итого:

-

-

1972,2

Таким образом, стоимость материалов и комплектующих изделий составила М=1972,2 руб.

9.3.8 Расчет заработной платы

Таблица 9.11 - Расчёт затрат на оплату работы исполнителей (заработная плата приводится в рублях)

Исполнитель

Количество трудодней

Месячный оклад

Среднедневная ставка

ОЗП

ОЗП с учетом влияния ВТ

Дополнительная

ЗП

Полная ЗП

ЕСН

Полные затраты на ЗП

Инженер

8

15000

314

6000

6600

1800

8400

2856

11256

 

Итого

11256

 

Таким образом, итоговый фонд заработной платы (ФЗП) на сборку устройства детектирования для измерителя мощности составил:

ФЗП = 25656 руб., в том числе ставка единого социального налога СН=16384,17 руб.

9.3.9 Расчет затрат на амортизацию

Рассчитаем затраты на амортизацию оборудования, которое используется инженером при производстве устройства. Станок для изготовления печатных плат (Цбал = 1млн. руб.), паяльная станция (Цбал = 10000. руб.)

9.3.10 Расчет затрат на аренду помещения

Стоимость одного дня аренды помещения на человека в рублях определяются по формуле:

Сард = (Ка.S + Схв+ Сгв+ Скан)/Д, (9.7)

где S - занимаемая площадь помещения, S = 12 м2;

Ка - стоимость аренды одного квадратного метра, Ка = 500 руб/мес;

Схв - стоимость холодной воды (из расчета 10м3/чел*мес); Тариф: 13,45руб/ м3, Схв = 134,5 руб/мес;

Сгв - стоимость горячей воды (из расчета 0,2гкалл/чел); Тариф: 579,56руб/гкалл, Сгв = 115,91 руб/мес;

Скан - стоимость канализации (из расчета 12м3/чел*мес); Тариф:7,64руб/ м3, Скан =115,68 руб;

Д - количество дней в месяце, Д = 30.

Затраты на аренду помещения за всё время проектирования в рублях определяются по формуле:

где Тп - время, Тп = 120 дней.

Данные рассчитанные по формулам (9.7) и (9.8) приведены в таблице 9.12.

Таблица 9.12 - Затраты на аренду помещения для производства продукта

Участник

Стоимость аренды на 1 день (Сард),

руб.

Время работы (Тп),

дни

Затраты на аренду (Сар),

руб.

Инженер

212,2

11

2334,2

 

В результате суммарные затраты на аренду помещения равны:

Сар=2334,2 руб.

9.3.11 Расчет затрат на электроэнергию

Затраты на электроэнергию Сэн в рублях рассчитаем следующим образом:

где Рп- потребляемая мощность вычислительной техники;

Сэч- стоимость одного киловатта электроэнергии в час, Сэч=1,51 руб;

Ч- время работы с вычислительной техникой;

В таблице 9.13 приведены потребляемая мощность используемых приборов и основные расчетные данные в соответствии с формулой (9.9).

Таблица 9.13 - Затраты на электроэнергию при производстве продукта

Наименование

прибора

Потребляемая

Мощность(Рn),

кВт

Время работы(Ч),

час.

Затраты электроэнергию

(Сэн), руб.

Станок для изготовления печатных плат

1,2

16

29

Паяльная станция

0,3

96

11

 

Итого:

40

 

В результате суммарные затраты на электроэнергию составили 40 рублей.

9.3.12 Расчет расходов на проект и изготовление устройств

Таблица 9.13 - Расчет расходов на проект и изготовление устройств

 

Устройство №1

Устройство №2

Проект

Затраты на материалы (рублей)

10757,4

1972,2

589

Затраты на заработную плату (рублей)

11256

11256

67883

Затраты на амортизацию оборудования (рублей)

1002

1002

959,2

Затраты на аренду помещения (рублей)

2334,2

2334,2

29283,6

Затраты на электроэнергию (рублей)

40

40

589

Итоговая цена (рублей)

2589,6

16604

99303,8

С учётом умножения на 1,2

30467,6

19925

119164,8

Конечная стоимость устройства с учётом затрат на проект

32850

22308

-

•9.4 Маркетинг

В свете подписания контракта на производство базовых станций сотовой связи 4ого поколения, между ЗАО «НПФ «Микран» и компанией Nokia Siemens Networks, портативный измеритель мощности будет востребован при производстве, монтаже и эксплуатации базовых станций. Помимо этого, прибор может быть использован для большинства современных систем связи. Вследствие этого возможна реализация более 50 приборов в год.

 

•9.5 Оценка эффективности разработки

Оценим эффективность для устройств детектирования. По результатам расчетов проведенных выше можно сказать, что высокоинтеллектуальные разработки имеют высокую стоимость не за счет материалов, а в основном за счет заработных плат инженеров принимающих участие в разработке.

Применение разработанных устройств детектирования планируется в составе измерителя среднеквадратичного значения мощности М3М - 18.

 

где  - стоимость (себестоимость) базового и разрабатываемого продукта соответственно;

 - коэффициент учета изменения технико-эксплуатацион­ных параметров разрабатываемого продукта по сравнению с базовыми

 - годовой объем выпуска разрабатываемого продукта, в натуральных единицах

Для устройства детектирования на основе диодного детектора:

 

Годовой экономический эффект от использования нового детектирующего устройства на основе диодного детектора составит 99910 рублей.

 

Для устройства детектирования на основе логарифмического детектора:

 

Годовой экономический эффект от использования нового детектирующего устройства на основе диодного детектора составит 139100 рублей.

•10 Вопросы безопасности жизнедеятельности

•10.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

Разрабатываемые устройства представляет собой датчики позволяющие измерять среднеквадратичное значение мощности сигналов сложной формы. Устройства входят в состав измерителя мощности ЗАО «НПФ «Микран» М3М - 18.

С целью предупреждения получения травм и профессиональных заболеваний необходимо выявлять опасные и вредные производственные факторы (далее О и ВПФ) действующие на человека использующего данную систему в предполагаемых условиях.

О и ВПФ классифицируются согласно ГОСТ 12.0.003-74 «Опасные и вредные производственные факторы».

В связи с выше сказанным приведем следующие характерные факторы:

Физические опасные и вредные производственные факторы:

- физические: электрические и магнитные поля, статическое электричество, опасное напряжение в электрической сети;

- химические: вредные химические вещества, выделение которых возможно при работе с микросхемами;

- психофизиологические: напряжение зрения и внимания, интеллектуальные и эмоциональные нагрузки, а также возможные длительные статические нагрузки.

Каждая группа в свою очередь подразделяется на подгруппы. В зависимости от уровня и продолжительности воздействия вредный производственный фактор может стать опасным.

Воздействие указанных неблагоприятных факторов приводит к снижению работоспособности. Длительное нахождение человека в зоне комбинированного воздействия различных неблагоприятных факторов может привести к профессиональному заболеванию.

•10.2 Требования безопасности к устройству

Все меры, связанные с обеспечением безопасности эксплуатации электроустановок, делятся на две группы: организационные и технические. К организационным мероприятиям относятся мероприятия, связанные с периодическим медицинским контролем здоровья персонала и выявлением его пригодности к работе на электроустановках.

Лица, обслуживающие и эксплуатирующие электроустановки, относятся к электротехническому персоналу. Электротехнический персонал должен быть физически здоровым, не иметь увечий и болезней, препятствующих или мешающих выполнению работы. Пригодность к обслуживанию электроустановок определяется при приеме на работу и периодически 1 раз в 2 года медицинским освидетельствованием.

10.2.1 Общие требования

а) Устройство должно иметь корпус для надежной эксплуатации и транспортировки;

б) Конструкция устройства должна обеспечивать:

- Удобство и безопасность обслуживания;

- Удобство наблюдений за показаниями приборов;

- Удобство установки, а также подключения внешних соединений;

 

•10.3 Требования к электробезопасности

10.3.1 Требования к заземлению

Защитное заземление это преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом металлических токоведущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Применяется для снижения напряжения прикосновения при переходе напряжения на нетоковедущие части, что достигается уменьшением потенциала корпуса относительно земли как за счет малого сопротивления земли, так и за счет повышения потенциала примыкающей к оборудованию поверхности земли.

а) устройство должно иметь вывод (выводы) в электрическом разъеме для заземления

в) все части устройства, для которых необходимо заземление, должны быть подключены к нему независимо - отключение отдельной части от заземления не должно влиять на заземление остальных частей

г) электрическое сопротивление, измеренное между выводом разъема для заземления устройства и любой его металлической частью, подлежащей заземлению, не должно превышать 0,1 Ом;

10.3.2 Требования к недоступности проводников

а) Недоступность токоведущих частей для случайного прикосновения обеспечивается их ограждением в виде корпуса;

б) Корпус выполняется сплошным;

в) Для доступа непосредственно к электрооборудованию и токоведущим частям последнего в корпусе предусматриваются герметичные крышки;

г) электрическое сопротивление, измеренное между выводом заземления электрического разъема и землей, не должно превышать 4 Ом.

10.3.3 Требования к занулению

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Нулевой защитный проводник - это проводник, соединяющий зануляемые части с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока или ее эквивалентом. Основное назначение зануления - обеспечить срабатывание максимальной токовой защиты при замыкании на корпус, вследствие чего селективно отключается поврежденный участок сети.

Требования предъявляемые к занулению:

а) нулевой провод должен иметь надежные соединения, и должна обеспечиваться непрерывность цепи от каждого корпуса до нейтрали источника;

б) запрещается установка в нулевой провод предохранителей и выключателей;

д) зануление однофазных потребителей должно осуществляться специальным проводником, который не может одновременно служить проводом для рабочего тока;

е) сопротивление заземляющих устройств, к которым присоединены нейтрали трансформаторов или выводы источника однофазного тока в любое время года не должно превышать 4 Ом.

10.3.4 Защитное отключение

Защитное отключение обеспечивает быстрое, не более 0,2с автоматическое отключение установки от питающей сети при возникновении в ней опасности поражения током. Такая опасность может возникнуть при замыкании фазы на корпус электрооборудования, при снижении изоляции фаз относительно земли (повреждение изоляции, замыкание фазы на землю); При появлении в сети более высокого напряжения, при случайном прикосновении человека к токоведущим элементам, находящимся под напряжением.

Преимуществом защитного отключения являются: возможность его применения в электрических установках любого напряжения и при любом режиме нейтрали, срабатывание при малых напряжениях на корпусе - 20 - 40 В и быстрая скорость отключения, равная 0,1 - 0,2 с.

Защитное отключение осуществляется посредством выключателей или контакторов, снабженных специальным отключающим реле.

10.3.5 Рабочая изоляция

Рабочая изоляция - это электрическая изоляция токоведущих частей устройства, обеспечивающая его нормальную работу и защиту от поражения электрическим током (ГОСТ 12.1.0009-76). В процессе эксплуатации изоляция устройства подвержена различным повреждениям (механическим, химическим, тепловым, и т.п.), а также старению, в результате чего ухудшаются ее свойства (в основном активное сопротивление). Поэтому периодически необходимо производить контроль изоляции.

Периодический контроль изоляции состоит в измерении ее активного сопротивления в действующей аппаратуре периодически (в установленные сроки) или при обнаружении дефектов. Сопротивление изоляции отдельного участка в сети напряжением до 1000 В не должно быть меньше 0,5 МОм.

10.4 Требования по технике безопасности на рабочем месте

Под рабочим местом понимается зона, оснащенная необходимыми техническими средствами, в которой совершается трудовая деятельность исполнителя или группы исполнителей, совместно выполняющих одну работу или операцию.

Рациональная организация рабочего места учитывает оптимальную планировку, степень автоматизации, выбор рабочей позы человека и т. п.

Главным требованием при выборе основного оборудования является обеспечение на одном рабочем месте необходимых комфортных условий труда, поэтому выбираемое оборудование должно отвечать требованиям техники безопасности, психологическим и физиологическим возможностям работающего с учетом его антропометрических показателей.

Так как помещение располагается на втором этаже здания, выход из него должен быть в вестибюль или коридор, примыкающий к лестничной клетке, имеющей непосредственный выход наружу здания.

Оборудование следует применять в соответствии с требованиями государственных стандартов, норм пожарной безопасности, технической документации и с учетом климатических, механических, электромагнитных и других воздействий в местах их размещения.

10.4.1 Требования к помещению

Помещение должно иметь естественное и искусственное освещение.

Окна в помещениях, где эксплуатируется вычислительная техника, преимущественно должны быть ориентированы на север и северо-восток. Оконные проемы должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа: жалюзи, занавессей, внешних козырьков и др.

Площадь на одно рабочее место с ВДТ и ПЭВМ должна составлять не менее 4.5 м2.

Для внутренней отделки интерьера помещений должны использоваться диффузно отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0,7 - 0,8, для стен - 0,5 - 0,6, для пола - 0,3 - 0,5.

Полимерные материалы, используемые для внутренней отделки интерьера, должны быть разрешены для применения органами и учреждениями Государственного санитарно-эпидемиологического надзора.

10.4.2 Требования к организации и оборудованию рабочего места

Для обеспечения надежного считывания информации при соответствующей степени комфортности её восприятия должны быть определены оптимальные и допустимые диапазоны визуальных эргономических параметров.

- яркость знака: 35 - 120 кд/м2;

- внешняя освещенность экрана: 100 - 250;

- угловой размер экрана: 16 - 60 угл. мин.

Рабочие места с ВДТ и ПЭВМ по отношению к световым проемам должны располагаться так, чтобы естественный свет падал сбоку.

Конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей (размер ИКО и МД, клавиатуры, телефона и др.), характера выполняемой работы. При этом допускается использование рабочих столов различных конструкций, отвечающих современным требованиям эргономики, с высотой рабочей поверхности 680-800 мм (при отсутствии возможности регулировки, равна 725мм.).

Конструкция рабочего стула (кресла) должна обеспечивать поддержание рациональной рабочей позы при работе на ВДТ и ПЭВМ, позволять изменять позу с целью снижения статического напряжения мышц шейно-плечевой области и спины для предупреждения развития утомления. Тип рабочего стула (кресла) должен выбираться в зависимости от характера и продолжительности работы с ВДТ и ПЭВМ с учетом роста пользователя.

Рабочий стул (кресло) должен быть подъемно-поворотным и регулируемым по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а так же расстоянию спинки от переднего края сиденья, при этом регулировка каждого параметра должна быть независимой, легко осуществляемой и иметь надежную фиксацию.

Поверхность сиденья, спинки и других элементов кресла должна быть полумягкой, с нескользящим, не электризующимся и воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающим легкую очистку от загрязнений.

Экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя на оптимальном расстоянии 600-700 мм, но не ближе 500 мм с учетом размеров алфавитно-цифровых знаков и символов.

10.4.3 Требования к электрическим параметрам

Части, которые в рабочем состоянии находятся под напряжением, должны быть недоступны прикосновению к ним, и защищены корпусом или покрыты изоляцией. Разъемы должны быть защищены от случайного прикосновения к ним.

Изоляция, предназначенная для защиты от поражения электрическим током, должна обладать необходимой электрической и механической прочностью.

Внешние органы управления (кнопки) должны быть изготовлены из изолирующего материала.

Установленные на объекте технические средства охраны следует относить к 1 категории электроприемников по надежности электроснабжения согласно ПУЭ. В силу этого их электропитание должно быть бесперебойным (либо от двух независимых источников переменного тока, либо от одного источника переменного тока с автоматическим переключением в аварийном режиме на резервное питание от аккумуляторных батарей).

Рабочий ввод электропитания должен выполняться от электрической сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 В.

Электроснабжение технических средств охраны от электрической сети переменного тока осуществляется от отдельной группы электрощита дежурного освещения.

 

•10.5 Инструкция по ТБ при эксплуатации устройства

10.5.1 Общие требования безопасности

К обслуживанию устройства допускаются лица физически здоровые, не имеющие увечий и болезней, препятствующих или мешающих выполнению работы. Пригодность к обслуживанию аппаратуры определяется при приеме на работу и периодически 1 раз в 2 года медицинским освидетельствованием. К работам допускаются лица в возрасте не моложе 18 лет.

Лица, допускаемые к работам, должны иметь соответствующую техническую подготовку. После обучения производится проверка знаний правил техники безопасности специальной квалифицированной комиссией. Проверяемому присваивается квалификационная группа по технике безопасности и выдается удостоверение, дающее право выполнять определенные работы в соответствии с занимаемой должностью и квалификационной группой. Всего выделяется пять квалификационных групп по технике безопасности, а присваивается только четыре.

В случае поражения электрическим током, либо получении травм другого вида, персонал должен оказать первую доврачебную помощь и незамедлительно сообщить администрации.

10.5.2 Требование безопасности перед началом работы

Перед началом работы с устройством необходимо произвести ряд следующих мероприятий:

- осмотреть корпус, соединительные провода и кабели устройства на наличие механических дефектов;

- проверить наличие и правильность подключения всех соединительных проводов и кабелей;

- проверить наличие надежность заземления (либо зануления);

- при наличии дефектов, или отсутствии каких-либо проводов, кабелей, необходимо сообщить об этом старшему ответственному инженеру.

10.5.3 Требование безопасности во время работы

Во время работы с аппаратурой ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

- использовать устройство без наличия заземления (зануления);

- использовать блоки, провода и кабели без защитных кожухов и изоляции;

- использовать поврежденные соединительные кабели и провода;

- производить устранение неисправностей при включенных источниках питания, а в блоках питания - при включенных в сеть шнурах питания, а также персоналом, не имеющим допуска ремонт;

- отсоединять или присоединять рабочее заземление при включенных в сеть источниках питания;

  • 1.использовать при ремонте и настройке неисправные инструменты;

10.5.4 Требование безопасности в аварийных ситуациях

При поражении электрическим током пострадавший в большинстве случаев не может сам освободится от воздействия тока из-за непроизвольного сжатия мышц, тяжелой механической травмы или потери сознания. Поэтому необходимо, прежде всего, освободить пострадавшего от действия тока. При освобождении держать пострадавшего следует за одежду, либо использовать любой удобный диэлектрический предмет (например, стул). После освобождения пострадавшего от действия тока необходимо определить меры первой помощи, которые зависят от его состояния:

а) если пострадавший пришел в сознание, его нужно уложить на сухую подстилку и накрыть сухой одеждой. Вызвать врача. Нельзя разрешать ему двигаться, так как отрицательное действие тока может проявиться не сразу;

б) если пострадавший без сознания, но у него устойчивое дыхание и пульс, то его необходимо удобно уложить, обеспечить приток свежего воздуха, постараться привести в сознание (брызнуть в лицо водой, поднести нашатырный спирт) и ждать врача.

Признаками наступления клинической смерти являются: отсутствие дыхания, отсутствие пульса на сонных и бедренных артериях, отсутствие реакции зрачков на свет, серый цвет кожи.

Мероприятия по оживлению проводят в следующем порядке:

а) восстанавливают проходимость дыхательных путей;

б) проводят искусственное дыхание методом "рот в рот" или "рот в нос";

в) делают непрямой массаж сердца.

Оказывать помощь необходимо до прибытия врача.

При возгорании какой-либо части аппаратуры необходимо обесточить устройство и воспользоваться огнетушителем или песком для устранения огня, не давая развития пламени.

10.5.5 Требование безопасности по окончании работ

По окончании работы, все блоки устройства нужно обесточить путем переключения тумблера «СЕТЬ» в положение ВЫКЛ.

Если необходим демонтаж блоков устройства, то в первую очередь нужно отключить сетевой провод от сети, затем отсоединить остальные провода и кабели.

По окончании работ ЗАПРЕЩАЕТСЯ оставлять аппаратуру включенной в сеть.

•11 Патентный поиск

В результате патентного поиска были найдены следующие работы:

 

  • 3 DUAL MODE DIODE POWER SENSOR WITH SQUARE LAW AND LINEAR OPERATING REGIONS

Дата публикации заявки: 15.04.2003. Патентообладатель: Anritsu Company, Morgan Hill CA (US) [10]

  • 4 RMS POWER SENSOR WITH 84 DB DYNAMIC RANGE

Дата публикации заявки: 15.04.2003. Патентообладатель: Anritsu Company, Morgan Hill CA (US) [9]

  • 5 LOGARITHMIC AMPLIFIER WITH RMS POST-PROCESSING

Дата публикации заявки: 17.08.2010. Патентообладатель: Analog Devices, Inc., Norwood MA (US) [11]

  • 6 TRUE AVERAGE WIDE DYNAMIC RANGE MICROWAVE POWER SENSOR USING DIODE STACK ATTENUATOR - DIODE STACK

Дата публикации заявки: 5.06.2001. Патентообладатель: Agilent Technologies, Inc., Palo Alto, CA (US) [12]

 

Первые три патента лежат в основе разрабатываемых в рамках дипломного проекта устройств.

Детектирующее устройство, основанное на диодном детекторе, создаётся по схеме аналогичной с запатентованной компанией Anritsu. Запатентованное схемотехническое решение описано более подробно в пункте 4.2.

Детектирующее устройство, основанное на логарифмическом детектора, имеет в своей основе логарифмический усилитель компании Analog Devices. Принцип работы Логарифмических детекторов, запатентованный компанией Analog Devices, поясняется в пункте 3.4.

В рамках дипломного проекта, упомянутые выше запатентованные схемные решения проанализированы, их слабые места учтены и по возможности устранены.

Схемотехническое решение компании Agilent Technologies более подробно описано в пункте 4.1. Недостатком подобного решения является его высокая стоимость, она складывается за счёт использование большого количества низко барьерных диодов (диодов Шоттки).

•12 Заключение

В рамках дипломного проекта, в соответствии с заявленной стадией разработки по ЕСКД, а именно техническое предложение (ГОСТ 2.118 - 73), были предложены два варианта исполнения устройства детектирования для измерителя мощности сигналов сложной формы ЗАО «НПФ «Микран»: устройство детектирования на основе диодного детектора и устройство детектирования на основе логарифмического детектора.

Во время работы над дипломным проектом был проведён ряд экспериментов, на основе результатов которых проводилась разработка устройств. Так же была проведена работа по моделированию в САПР нелинейных элементов, используемых в детекторах. Это позволило уверенно говорить о том, что в дальнейшем можно будет использовать САПР для моделирования устройств детектирования и получения всех необходимых характеристик устройства.

Основной сложностью измерения является тот факт, что при уровне менее минус 45 дБм выходное напряжение детектора низкое - порядка единиц микровольт. Измерять такое маленькое напряжение непросто. Так же на таком низком уровне мощности становятся весомыми различные шумы устройства, вносящие погрешность в измерения. Исходя из этого, для уменьшения погрешности следует использовать детекторы с высокой чувствительностью.

Разработанные устройства обладают возможностью измерения среднеквадратичного значения мощности сигналов сложной формы в широком динамическом диапазоне входной мощности. Устройство детектирования на основе диодного детектора способно измерять среднеквадратичное значение мощности сигналов от минус 45 дБм до плюс 20 дБм. Устройство детектирования на основе логарифмического детектора способно измерять среднеквадратичное значение мощности сигналов от минус 30 дБм до плюс 30 дБм.

Оба устройства имеют достаточно широкую рабочую полосу частот. Устройство детектирования на основе диодного детектора работает в полосе частот от 0,01 до 18 ГГц. Устройство детектирования на основе логарифмического детектора работает в полосе частот от 0,05 до 9 ГГц.

Результаты дипломного проекта будут использованы ЗАО «НПФ «Микран» при разработке устройств детектирования для измерителя мощности сигналов сложной формы. При соответствующей доработке ЦПУ измерителя мощности, устройство детектирования на основе диодного детектора позволит измерять пиковое значение мощности сигнала и пик - фактор сигналов (отношение пиковой мощности к средней).

По результатам работы была подготовлена статья «Использование диодов Шоттки в детекторах мощности» [13, с. 320], по ней был сделан доклад на всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная Сессия ТУСУР - 2011».

Список литературы

  • 1. Agilent Fundamentals of RF and Microwave Power Measurements (Part 1) Аpplication Note 1449-1.
  • 2. Agilent Fundamentals of RF and Microwave Power Measurements (Part 2) Аpplication Note 1449-2.
  • 3. G.H. Bryant - Principles of Microwave Measurements, IEE Electrical Measurement ,1993. - 415с.
  • 4. Попов В.С. «Электротехнические измерения и приборы» Госэнергоиздат 1963 - 544 с.
  • 5. Минин Г.П. «Измерение мощности» изд. «Энергия» 1965 - 120 с.
  • 6. Accurate Power Measurement on Modern Communication Sistems (Anritsu Application note).
  • 7. RMS POWER SENSOR WITH 84 DB DYNAMIC RANGE. United States patent № US 6,548,999 B2.
  • 8. Avago HSCH - 9161 Zero Bias Beamlead Detector Diode (Data Sheet).
  • 9. Analog Device Logarithmic amplifier AD8318(Data Sheet).
  • 10. DUAL MODE DIODE POWER SENSOR WITH SQUARE LAW AND LINEAR OPERATING REGIONS. United States Patent № US6,291,984 B1.
  • 11. LOGARITHMIC AMPLIFIER WITH RMS POST - PROCESSING. United States Patent № US7,777,552 B1.
  • 12. TRUE AVERAGE WIDE DYNAMIC RANGE MICROWAVE POWER SENSOR USING DIODE STACK ATTENUATOR - DIODE STACK United States Patent № US6,242,901 B1.
  • 13. Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР - 2011» Томск: В-спектр,2011: В шести частях. - Ч.2. - 348 с.

Приложение Ж

 

Утверждаю:

Руководитель дипломного проекта,

Аспирант кафедры СВЧ и КР

____________А.С. Загородний

«___» _____________2011 г.

 

Протокол лабораторных испытаний

Исследование чувствительность и границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42 - 20 и Д4 - 20

  • 1. Объект испытаний - детекторы Д42 - 20 и Д4 - 20, производства ЗАО«НПФ «Микран»
  • 2. Цель испытаний - Исследование чувствительность и границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42 - 20 и Д4 - 20
  • 3. Дата испытания - 15 марта 2011
  • 4. Место испытания - лаборатория ДИИС ЗАО «НПФ «Микран»
  • 5. Структурная схема экспериментальной установки соответствует описанной в ПЗ (пункт 6.1) и представленной на рисунок 6.1.
  • 6. Методика испытаний. Описана в пункте 6.1.
  • 7. Применяемые приборы и оборудование

7.1 Измеритель мощности Agilent E4418B, заводской №03821564.

7.2 Аттенюатор с переменным ослаблением

7.3 Делитель мощности с ослаблением 6дБ на плечо.

7.4 Детекторы Д42 - 20 и Д4 - 20, заводской №06060217.

7.5 Мультивольтметр АРРА - 305, заводской №09100035870.

  • 8. Результаты испытаний. Результаты испытаний представлены в п. 6.1. ПЗ. Чувствительность детектора Д42 - 20 на линейном участке равна 1,265[мВ/мкВт]. Чувствительность детектора Д4 - 20 на линейном участке равна 0,45[мВ/мкВт].
  • 9. Выводы:

Квадратичный режим работы диода соблюдается на мощностях примерно от -60 до -20 дБм. Поэтому для экспериментального определения границ квадратичного режима необходимо использовать микрометр, позволяющий измерять десятые доли микрометров или использовать малошумящую схему усиления выходного сигнала детектора для увеличения напряжения до единиц милливольт и выше.

Значения чувствительности γ для детектора Д4-20 и Д42-20 различны, связанно это с тем что в детекторе Д42-20 используется двухдиодная схема, которая позволяет определить удвоенную амплитуду входного сигнала. Приблизительно значения чувствительности γ детекторов на линейном участке соотносятся 14Оі(Р"42-20)ОіРґ4-20≈2в€TM2´>

 

Испытания проводили:

Аспирант каф. СВЧ и КР

_________Загородний А.С.

Студент гр.146 - 3

___________Воронин Н.Н.


Приложение И

 

Утверждаю:

Руководитель дипломного проекта,

Аспирант кафедры СВЧ и КР

____________А.С. Загородний

«___» _____________2011 г.

 

Протокол лабораторных испытаний

Исследование границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42-20

 

  • 1. Объект испытаний - диод Avago HSCH-9161, входящий в состав детектора Д42-20
  • 2. Цель испытаний - Исследование границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42-20
  • 3. Дата испытания - 25 марта 2011
  • 4. Место испытания - лаборатория ДИИС ЗАО «НПФ «Микран»
  • 5. Структурная схема экспериментальной установки соответствует описанной в ПЗ (пункт 6.2) и представленной на рисуноке 6.4.
  • 6. Методика испытаний. Описана в пункте 6.2.
  • 7. Применяемые приборы и оборудование

7.1 Измеритель мощности Agilent E4418B, заводской №03821564.

7.2 Аттенюатор с переменным ослаблением

7.3 Делитель мощности с ослаблением 6дБ на плечо, заводской №06567823.

7.4 Детекторы Д42 - 20, заводской №06060217.

7.5 Скалярный анализатор цепей Р2М - 18, заводской №06060217.

  • 8. Результаты испытаний. Результаты испытаний представлены в п. 6.2. ПЗ.
  • 9. Выводы:

Чувствительность в квадратичном режиме для двух детекторов близка по значению, для детектора №1 14Оі=1.5РјР´/РјРєР´С‚´>, в свою очередь для детектора №2 14Оі=1.1РјР´/РјРєР´С‚´>

Видно что чувствительность, а так же уровень выходного напряжения для детекторов разный. Это связанно с тем, что несмотря на хорошую повторяемость детекторы имеют расхожие детекторные характеристики. Поэтому для корректного измерения мощности необходимо учитывать детекторную характеристику каждого отдельного детектора.

 

Испытания проводили:

Аспирант каф. СВЧ и КР

_________Загородний А.С.

Студент гр.146 - 3

___________Воронин Н.Н.


Приложение К

 

Утверждаю:

Руководитель дипломного проекта,

Аспирант кафедры СВЧ и КР

____________А.С. Загородний

«___» _____________2011 г.

 

Протокол лабораторных испытаний

Определение оптимального распределения зон детектирования детектора среднеквадратичного значения мощности

 

  • 1. Объект испытаний - Схема детекторного устройства «Делитель - Аттенюатор - Детектор».
  • 2. Цель испытаний - Исследование границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42-20
  • 3. Дата испытания - 17 апреля 2011
  • 4. Место испытания - лаборатория ДИИС ЗАО «НПФ «Микран»
  • 5. Структурная схема экспериментальной установки соответствует описанной в ПЗ (пунктах 6.3.1 и 6.3.2) и представлены на рисунках 6.13 и 6.19.
  • 6. Методика испытаний. Описана в пунктах 6.3.1 и 6.3.2.
  • 7. Применяемые приборы и оборудование

7.1 Измеритель мощности Agilent E4418B, заводской №03821564.

7.2 Аттенюатор с переменным ослаблением

7.3 Делитель мощности с ослаблением 6дБ на плечо, заводской №06567823.

7.4 Детекторы Д42 - 20, заводской №06060217.

7.5 Скалярный анализатор цепей Р2М - 18, заводской №06060217.

  • 8. Результаты испытаний. Результаты испытаний представлены в п. 6.3. ПЗ.
  • 9. Выводы:

По итогам экспериментов можно сказать, что оптимальными номиналами ослабления на плечо должны быть 17дБ для плеча детектора «В» и 39дБ для плеча детектора «А». С такими ослаблениями детектор «А» будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 5дБм до 17дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 44дБм до минус 22дБм. Детектор «В» будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 20дБм до минус 5дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 37дБм до минус 21дБм. Детектор «С» будет работать входными сигналами, мощность которых будет ниже минус 20дБм.

Необходимо заметить что детектор «С» работающий с сигналами самого низкого уровня мощности, должен обладать высокой чувствительностью для уменьшения погрешностей измерения.

 

Испытания проводили:

Аспирант каф. СВЧ и КР

_________Загородний А.С.

Студент гр.146 - 3

___________Воронин Н.Н.


Приложение Л

 

Утверждаю:

Руководитель дипломного проекта,

Аспирант кафедры СВЧ и КР

____________А.С. Загородний

«___» _____________2011 г.

 

Протокол лабораторных испытаний

Определение оптимального распределения зон детектирования детектора среднеквадратичного значения мощности

 

  • 1. Объект испытаний - Схема детекторного устройства «Делитель - Аттенюатор - Детектор».
  • 2. Цель испытаний - Исследование границ квадратичного режима работы диодов в детекторах Д42-20
  • 3. Дата испытания - 17 апреля 2011
  • 4. Место испытания - лаборатория ДИИС ЗАО «НПФ «Микран»
  • 5. Структурная схема экспериментальной установки соответствует описанной в ПЗ (пунктах 6.3.1 и 6.3.2) и представлены на рисунках 6.13 и 6.19.
  • 6. Методика испытаний. Описана в пунктах 6.3.1 и 6.3.2.
  • 7. Применяемые приборы и оборудование

7.1 Измеритель мощности Agilent E4418B, заводской №03821564.

7.2 Аттенюатор с переменным ослаблением

7.3 Делитель мощности с ослаблением 6дБ на плечо, заводской №06567823.

7.4 Детекторы Д42 - 20, заводской №06060217.

7.5 Скалярный анализатор цепей Р2М - 18, заводской №06060217.

  • 8. Результаты испытаний. Результаты испытаний представлены в п. 6.3. ПЗ.
  • 9. Выводы:

По итогам экспериментов можно сказать, что оптимальными номиналами ослабления на плечо должны быть 17дБ для плеча детектора «В» и 39дБ для плеча детектора «А». С такими ослаблениями детектор «А» будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 5дБм до 17дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 44дБм до минус 22дБм. Детектор «В» будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 20дБм до минус 5дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 37дБм до минус 21дБм. Детектор «С» будет работать входными сигналами, мощность которых будет ниже минус 20дБм.

Необходимо заметить что детектор «С» работающий с сигналами самого низкого уровня мощности, должен обладать высокой чувствительностью для уменьшения погрешностей измерения.

 

Испытания проводили:

Аспирант каф. СВЧ и КР

_________Загородний А.С.

Студент гр.146 - 3

___________Воронин Н.Н.


Приложение М

 

Утверждаю:

Руководитель дипломного проекта,

Аспирант кафедры СВЧ и КР

____________А.С. Загородний

«___» _____________2011 г.

 

Протокол лабораторных испытаний

Исследование детекторной характеристики логарифмического детектора Analog Devices 8318

  • 1. Объект испытаний - логарифмический детектора Analog Devices 8318.
  • 2. Цель испытаний - определение границ рабочего участка логарифмического усилителя (преобразователя) Analog Devices 8318
  • 3. Дата испытания - 23 апреля 2011
  • 4. Место испытания - лаборатория ДИИС ЗАО «НПФ «Микран»
  • 5. Структурная схема экспериментальной установки соответствует описанной в ПЗ (пункт 7) и представлены на рисунке 7.1.
  • 6. Методика испытаний. Описана в пункте 7.
  • 7. Применяемые приборы и оборудование

7.1 Измеритель мощности Agilent E4418B, заводской №03821564.

7.2 Делитель мощности с ослаблением 6дБ на плечо, заводской №06567823.

7.3 Логарифмический усилитель Analog Devices 8318.

7.4 Мультивольтметр АРРА - 305, заводской №09100035870.

  • 8. Результаты испытаний. Результаты испытаний представлены в п. 7. ПЗ.
  • 9. Выводы:

По итогам экспериментов можно сказать, что оптимальными номиналами ослабления на плечо должны быть 17дБ для плеча детектора «В» и 39дБ для плеча детектора «А». С такими ослаблениями детектор «А» будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 5дБм до 17дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 44дБм до минус 22дБм. Детектор «В» будет работать входными сигналами, мощность которых будет варьироваться от минус 20дБм до минус 5дБм, мощность на входе детектора будет варьироваться от минус 37дБм до минус 21дБм. Детектор «С» будет работать входными сигналами, мощность которых будет ниже минус 20дБм.

Необходимо заметить что детектор «С» работающий с сигналами самого низкого уровня мощности, должен обладать высокой чувствительностью для уменьшения погрешностей измерения.

 

Испытания проводили:

Аспирант каф. СВЧ и КР

_________Загородний А.С.

Студент гр.146 - 3

___________Воронин Н.Н.

 

Просмотров работы: 461