Měření šumového čísla a šumových parametrů

AbstraktCílem této práce je realizovat měřící systém pro měření šumového čísla a šumovýchparametrů. Měřící systém využívá Y metodu pro měření šumového čísla. Systém se sestáváz několika přístrojů, které jsou počítačově řízeny softwarem vytvořeným v prostředí NI Lab-Windows. Práce je rozdělena na několik částí. V první teoretické části jsou vysvětleny aodvozeny nutné závislosti pro měření šumového čísla a šumových parametrů. Další část prácepopisuje realizaci měřícího systému, jeho parametry, nejistoty a verifikaci měření. V posledníčásti práce je několik ukázek praktických měření s navrženým systémem.Klíčová slova: šumové číslo, šumový činitel, šumové parametry, měření, Y metodaAbstractThe aim of this work is to implement a measurement system for measuring noise figure andNoise parameters. The measurement system uses a Y a method for measuring noise figure.The system consists of several devices that are controlled by computer software developedin NI LabWindows environment. The thesis is divided into several parts. The first sectionexplains the theoretical and derive necessary depending on the measurement noise figure andNoise parameters. Another part describes the implementation of the measurement system,its parameters, the uncertainty of measurement and verification. The last part contains a fewexamples of practical measurements with the proposed system.Keywords: noise figure, noise factor, noise parameters, measurements, Y methodiii

PoděkováníRád bych zde poděkoval Ing. Přemyslu Hudcovi CSc. za konzultace, připomínky a vedenípráce. Dále pak Prof. Ing. Karlu Hoffmannovi CSc. za cenné rady v oblasti měření.V neposlední řadě bych rád poděkoval své rodině, Evě a Donaldovi E. Knuthovi nejen za jehobáječný typografický systém.iv

ProhlášeníProhlašuji, že jsem diplomovou práci měření šumového čísla a šumových parametrůvypracoval samostatně a použil jsem k tomu literaturu, kterou uvádím v seznamu přiloženémk diplomové práci.Nemám námitky proti půjčování, zveřejnění a dalšímu využití práce, pokud s tím budesouhlasit katedra elektromagnetického pole.V Praze 1.5.2010..........................................Milan Příhodav

ObsahSeznam použitých symbolůSeznam použitých zkratekSeznam obrázkůSeznam tabulekviiiixxxi1 Úvod 12 Šum 22.1 Tepelný – Johnsonův šum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.1 Šumový výkon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Šumový činitel a šumové číslo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.1 Ekvivalentní šumová teplota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.2 Friisův vztah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.3 Šumový činitel pasivních prvků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Šumové parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Metody měření šumového čísla 113.1 Y metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1.1 Zdroj šumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.2 Kalibrace, korekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.1.3 Měření neznámého dvoubranu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Y metoda – měření v širším kmitočtovém pásmu . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2.1 Dual side band měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2.2 Metoda pro korekci hodnot při DSB měření . . . . . . . . . . . . . . . 163.2.3 Single side band měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Měření šumových parametrů 184.1 Určení šumových parametrů z naměřených dat . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.1.1 Laneho metoda (metoda nejmenších čtverců) . . . . . . . . . . . . . . 194.1.2 Modifikovaná Laneho metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Realizace měřícího systému 225.0.3 HP8970A, měřič šumového čísla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235.0.4 Zdroj šumu, HP346B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24vi

5.0.5 Generátor HP8350 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.0.6 Syntezátor Agilent E8257D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.0.7 Impedanční tuner MT893A01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.0.8 Nejistoty měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.1 Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz . . . . . . . 305.1.1 Vyhodnocení nejistot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.1.2 Měření atenuátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.2 Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.2.1 Vyhodnocení nejistot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.2.2 Měření atenuátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.3 Sestava pro měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 Měření s navrženou sestavou 466.1 Měření LNA v systému 75Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.2 Měření zesilovače mini-circuits ZVA-213 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486.3 Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70 . . . . . . . . . . . . . 497 Závěr 54Literatura 56A Návod k použití obslužného software 57A.1 Konfigurace a nastavení přístrojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57A.2 Ovládání řídícího programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58A.2.1 Volba frekvencí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58A.2.2 Načtení hodnoty ENR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58A.2.3 Měření šumového čísla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59A.2.4 Kontrola stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61A.2.5 Měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61B Dokumentace zdrojového kódu 63B.1 Souhrn zdrojových souborů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63B.2 nfm_control.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64B.2.1 Funkce specifické pro řízení přístroje HP8970A . . . . . . . . . . . . . 64B.2.2 Pomocné funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66B.3 gen_control.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67B.4 tuner_control.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69vii

Seznam použitých symbolůBcGG aG insfFNFkLNN iN oS i,jTT coldT eT hotT 0WŠířka pásma [Hz]Rychlost světla 300 · 10 8 m sZisk [−]Dosažitelný zisk [−]Vložený zisk [−]Frekvence [Hz]Šumové činitel [−]Šumové číslo [dB][ ]Boltzmannova konstanta 1.38 · 10 24 JKÚtlum [−]Výkon šumu [W]Výkon šumu na vstupu [W]Výkon šumu na výstupu [W]S-parametry [−]Teplota [K]Teplota šumového zdroje ve stavu cold [K]Ekvivalentní šumová teplota [K]Teplota šumového zdroje ve stavu hot [K]Teplota 290 Kenergie [J]viii

Seznam použitých zkratekDSBDUTENRGPIBSSBTEMVNADual side bandDevice under test, měřený dvoubranExcess noise ratioGeneral Purpose Interface BusSingle side bandTransverzálně elektromagnetická vlna,vidVector network analyzer, vektorový analyzátorix

Seznam obrázků2.1 Tepelný šum rezistoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Tepelný šum rezistoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3 Johnsonův šum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4 Ekvivalentní šumová teplota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.5 Šumový činitel kaskády . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.6 Šumový činitel pasivních obvodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.7 Model šumového dvoubranu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.1 Měření šumového čísla Y metodou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 Kalibrace měření Y metodou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3 Y-metoda, měření v širším pásmu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.4 DSB měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.5 Korekce DSB měření, první měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.6 Korekce DSB měření, druhé měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.7 Korekce DSB měření, třetí měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.8 SSB měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.1 Měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.2 Funkce popisující závislost šumového činitele dvoubranu na vstupním odrazuΓ s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.1 Zjednodušené blokové schéma přístroje HP8970A . . . . . . . . . . . . . . . 235.2 Zdroj šumu HP346B s přidaným atenuátorem . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.3 Zkalibrované impedanční body v rovině S 11 pro kmitočet 4 GHz . . . . . . 275.4 Závislost nejistoty měření δNF dut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranuF dut , G dut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.5 Schéma měřící sestavy v pásmu 10 MHz – 1500 MHz . . . . . . . . . . . . . 305.6 Postup činnosti obslužného software při měření . . . . . . . . . . . . . . . . 315.7 Odrazy v měřící trase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.8 Závislost nejistoty měření δNF dut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranuF dut , G dut se započteným vlivem odrazů měřící trasy a měřeného dvoubranu 335.9 Závislost nejistoty měření na přizpůsobení vstupu a výstupu měřeného dvoubranu,pro F dut = 5 db, G dut = −5 db . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.10 Závislost nejistoty měření na přizpůsobení vstupu a výstupu měřeného dvoubranu,pro F dut = 3 db, G dut = 16 db . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.11 Průběhy měření atenuátoru se zdrojem šumu ENR = 15 dB . . . . . . . . . 355.12 Průběhy měření atenuátoru se zdrojem šumu ENR = 5 dB . . . . . . . . . 35x

5.13 Porovnání zprůměrovaných měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.14 Pohled na HP8970A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.15 Schéma sestavy pro měření v pásmu nad 1.5 GHz . . . . . . . . . . . . . . 375.16 Postup činnosti obslužného software při měření . . . . . . . . . . . . . . . . 385.17 Odrazy v měřící trase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.18 DSB měření atenuátoru bez filtru na vstupu HP8970A, ENR = 15 dB,směšovač ZEM-4300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.19 Závislost nejistoty měření δNF dut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranuF dut , G dut se započteným vlivem odrazů měřící trasy a měřeného dvoubranu 405.20 DSB měření atenuátoru s DP 300 MHz na vstupu HP8970A, ENR = 15 dB,směšovač ZEM-4300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.21 DSB měření atenuátoru s DP 300 MHz na vstupu HP8970A, ENR = 5 dB,směšovač ZEM-4300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.22 Zprůměrovaná měření 5 dB atenuátoru měřeného různými směšovači . . . . 425.23 Pohled na měřící sestavu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.24 Schéma měřící sestavy pro měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . 435.25 Příklad výběru bodů v prvním a druhém kroku měření . . . . . . . . . . . 445.26 Postup činnosti obslužného software při měření . . . . . . . . . . . . . . . . 456.1 Měření v systému 75Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.2 Porovnání naměřených hodnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476.3 Šumové číslo zesilovače ZVA-213 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486.4 Schéma měřící sestavy pro měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . 496.5 Substrát Cuclad 233 pro měření v měřícím držáku . . . . . . . . . . . . . . 506.6 Kalibrace tuneru včetně trasy s DC blokem a měřícím držákem . . . . . . . 506.7 Kalibrace tuneru pro měření šumových parametrů tranzistoru v držáku . . 516.8 Pohled na měřící držák s průchozím páskem pro kalibraci . . . . . . . . . . 526.9 Pohled na měřící sestavu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526.10 Hodnoty odrazu nastavené tunerem a body optimálního šumového přizpůsobenípro frekvenci 6 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53A.1 Hlavní okno řídícího programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58A.2 Okno s nastavením pro měření šumového čísla . . . . . . . . . . . . . . . . 59A.3 Okno s nastavením pro měření šumového čísla . . . . . . . . . . . . . . . . 59A.4 Vynesený průběh změřeného šumového čísla . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60A.5 Okno pro kontrolu stability a graf odchylek měření . . . . . . . . . . . . . . 61A.6 Okno pro nastavení měření šumových parametrů . . . . . . . . . . . . . . . 62xi

Seznam tabulek5.1 Vliv průměrování naměřených hodnot na potlačení nežádoucích šumů [2] . 225.2 Vybrané parametry přístroje HP8970A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.3 Vybrané GPIB příkazy přístroje HP8970A . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.4 Vybrané parametry zdroje šumu HP345B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.5 Vybrané GPIB příkazy přístroje HP8350 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.6 Vybrané GPIB příkazy přístroje E8257D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.7 Použité směšovače pro měření mimo základní pásmo . . . . . . . . . . . . . 376.1 Šumové parametry tranzistoru EPA060B-70 pro vybrané frekvence, katalogováhodnota. U ds = 5 V, I ds = 50 mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496.2 Změřené šumové parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51A.1 Volby konfiguračního souboru pro obslužný software . . . . . . . . . . . . . 57B.1 Popis zdrojových souborů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63B.2 Vybrané proměnné zdrojového souboru nfm_control.c . . . . . . . . . . . . 64B.3 Hodnoty proměnné, která nastavuje RF atenuátor přístroje HP8970A . . . 64B.4 Hodnoty proměnné, která nastavuje IF atenuátor přístroje HP8970A . . . . 65B.5 Vybrané proměnné zdrojového souboru gen_control.c . . . . . . . . . . . . 67B.6 Vybrané proměnné zdrojového souboru tuner_control.c . . . . . . . . . . . 69xii

Kapitola 1ÚvodV mnoha oborech radioelektroniky se setkáváme s problémem přijímat nebo měřit slabésignály. Měřící přístroj nebo přijímač který má na vstupu „šumící“ zesilovač nebude mítdobrou dynamiku díky špatnému odstupu měřeného signálu od šumového pozadí. To je jedenz mnoha důvodů proč má cenu zabývat se měřením šumového čísla mikrovlnných součástek,bloků, systémů.Přesné určení šumových parametrů mikrovlnných tranzistorů je nezbytné pro návrh nízkošumovýchzesilovačů. Výrobci mikrovlnných tranzistorů sice ve svých katalogových listech uvádíšumové parametry, avšak zpravidla neuvádí v jaké konfiguraci, v jakém vedení a v jaké rovinějsou šumové parametry změřené.Cílem práce je navrhnout měřící systém pro měření šumového čísla a šumových parametrůa vytvořit řídící software pro samočinné měření. Přístroje použité pro stavbu systému jsoupropojené po sběrnici GPIB a USB. Řídící program je vytvořen v prostředí NI LabWindows.Umožňuje měření šumového čísla, šumových parametrů, export naměřených dat do souboru.Kapitola 2 je ryze teoretická, zabývá se odvozením šumového výkonu, šumového činitelea šumového čísla. Kapitoly 3 a 4 se zabývají měřením šumového čísla Y metodou a měřenímšumových parametrů. Vztahy odvozené v těchto kapitolách jsou implementovány ve zdrojovémkódu ovládacího programu. Měřící systém je popsaný v kapitole 5. Měřící systém máněkolik konfigurací, podle toho v jakém frekvenčním pásmu je měření požadováno. Ukázkyměření různých dvoubranů jsou v kapitole 6. Dokumentace zdrojového kódu je obsaženapřímo ve zdrojových souborech, které jsou společně s přeloženým programem na přiloženémCD. Manuál k ovládání řídícího software je v příloze A. Stručná dokumentace zdrojovéhokódu pak v příloze B.1

Kapitola 2ŠumŠum v elektronických obvodech je signál, který vzniká v různých prvcích obvodu zpravidlanahodilými procesy. Podle způsobu generace šumu rozlišujeme několik druhů šumu – tepelný,výstřelový, blikavý atd.2.1 Tepelný – Johnsonův šumTepelný 1 šum vzniká v elektronických prvcích náhodným pohybem elektronů. Pohybustává při teplotě absolutní nuly, tj. T = 0 K, tehdy ustane i generace tepelného šumu.→ N [W]}⎫⎪⎬N a⎪⎭N RiR e0 R i→ R [Ω]Obr. 2.1: Tepelný šum rezistoruV zapojení podle obr. 2.2 je připojený rezistor na vstup „šumícího“ zesilovače. Bude-lihodnota rezistoru R i = 0 Ω bude výkon na výstupu zesilovače tvořen pouze výkonem šumuN a , který je produkován zesilovačem, viz obr. 2.1. V případě nenulové hodnoty rezistoru R i1 Byl prvně měřen Johnem Johnsonem v Bellových Laboratořích. Harry Nyquist pak na základě jeho měřenípodal vysvětlení ohledně tvorby tepelného šumu. Občas se tepelný šum označuje jako Johnsonův nebo takéJohnson-Nyquistův.2

Tepelný – Johnsonův šumbude výkon na výstupu zesilovače tvořen součtem šumového výkonu, který produkuje samotnýzesilovač a šumového výkonu, který produkuje rezistor a je zesílen zesilovačem.Z grafu 2.1 je také patrné, že rezistor, který by produkoval stejně velký šumový výkon jakosamotný zesilovač má hodnotu R e . Připojení sériové kombinace rezistoru R i a R e na vstupbezšumového zesilovače (viz obr.2.2b) bude na výstupu produkovat stejný šumový výkon jakozapojení se šumícím zesilovačem podle 2.2a.R eb Bezšumový zesilovačR iR ia Reálný šumící zesilovačObr. 2.2: Tepelný šum rezistoru2.1.1 Šumový výkonNásledující příklad podle obr.2.3 popisuje situaci, kdy jsou dva rezistory o velikosti Rspojeny úsekem bezeztrátového koaxiálního vedení délky l o charakteristické impedanciZ = R . V případě, že jsou oba spínače rozpojeny, je celé vedení přizpůsobené a veškerýšumový výkon vznikající v jednom z rezistorů je dokonale absorbován v druhém. Celý systémmá stejnou teplotu a tedy tepelné šumy generované v obou rezistorech jsou shodné [1].lS 1RRS 2Obr. 2.3: Johnsonův šum3

Tepelný – Johnsonův šumPokud jsou oba přepínače S 1 i S 2 sepnuté, vedení je zakončeno dokonalým odrazem.Z obvodu se stává rezonátor rezonující TEM videm na frekvenci podle 2.1.f 1 = c 2l(2.1)A další harmonické podle 2.2f 2 = 2c2l , f 3 = 3c2l , ..., f n = nc2lf n − f m = nc2l − mc2ln − m = ∆f 2lcJe-li kT energie každého módu pak lze psát.(2.2)(2.3)(2.4)W = (n − m)kT = kT ∆f 2l(2.5)cPolovina této energie je dodávána do systému každým z rezistorů. Energie dodávaná jednímrezistorem jeW2 = kT ∆f l c(2.6)Protože l cpředstavuje čas, který je potřeba proto aby vlna urazila vzdálenost l, tedy délkuvedení, lze šumový výkon vyjádřit jako [1]:W= N = kT ∆f = kT B (2.7)2l/c4

Šumový činitel a šumové čísloDosazením do vztahu 2.9, získáváme tzv. Friisův vztah.F =N okT 0 BG 1 G 2 G 3 ...G n(2.21)F = F 1 + F 2 − 1+ F 3 − 1 F n − 1+ ... +(2.22)G 1 G 1 G 2 G 1 G 2 ...G n−1T e = T e1 + T e2G 1+2.2.3 Šumový činitel pasivních prvkůT e3G 1 G 2+ ... +T enG 1 G 2 ...G n−1(2.23)Mikrovlnné systémy neobsahují jen aktivní obvody, které vykazují kladný zisk, ale takéatenuátory, vedení, vazební členy a pod. Tyto prvky také přispívají značnou měrou k šumovémučiniteli celého systému.kT 0 BAtenuatorLkT 0 BLObr. 2.6: Šumový činitel pasivních obvodůNa atenuátor o útlumu L podle obr.2.6 je přiveden šumový výkon kT 0 B ze zdroje šumu.Po průchodu atenuátorem je šumový výkon snížen na hodnotu kT 0BL, přičemž zbývající částenergie je absorbována atenuátorem, ze kterého je v podobě efektivní teploty Teemis( )N emis = kT 0 B 1 − 1 L= kTeatt B( )Te emis = 1 − 1 LT 0(2.24)efektivní šumová teplota atenuátoru ješumový činitel atenuátoru jeT e = T emise L = (L − 1) T 0 (2.25)F = T eT 0+ 1 = (L − 1) T 0T 0+ 1 = L (2.26)7

Šumové parametry2.3 Šumové parametryPro šumovou analýzu a návrh zesilovačů je nutné kromě šumového činitele brát v úvahui další šumové parametry. Schéma podle obr.2.7 představuje model pro šumový dvoubran,přičemž z vlastního šumového dvoubranu jsou vyjmuty všechny šumové zdroje. Ty jsounahrazeny zdrojem šumového napětí e n a zdrojem šumového proudu i n . Obvod je připojenke generátoru s admitancí Y s , který je současně zdrojem šumového proudu i ns . Protože jsouvšechny šumové zdroje vyjmuty ze samotného šumového dvoubranu, je možné řešit šumovýčinitel v rovině 1–1’ [7].Šumový činitel je v tom případěF = N 1N s(2.27)kde N s je šumový výkon generátoru a N 1 je dosažitelný šumový výkon na výstupu, tj.v rovině 1-1’. Výkon N 1 lze určit ze celkového šumového proudu i nc .i ns Y se ni nBezšumovýdvoubranObr. 2.7: Model šumového dvoubranuCelkový šumový proud i nc lze určit superpozicí jednotlivých proudů od výše popsanýchzdrojůi nc = i ns − i n − Y s e n (2.28)Výkon signálu je definován jako střední kvadratická hodnota. Výkon šumu 3 v rovině 1-1’,tj. N 1 je tedy:[E |i nc | 2] = E [(i ns − (i n + e n Y s )) (i ns − (i n + e n Y s )) ∗ ][E |i nc | 2] [= E |i ns | 2] [− 2R {E [i ns ((i n + e n Y s ) ∗ ]} + E |i n + e n Y s | 2] (2.29)Protože střední hodnota šumu je nulová, E [i n ] = 0, lze 2.29 upravit[E |i nc | 2] [= E |i ns | 2] [+ E |i n + e n Y s | 2] (2.30)Šumový proud i n a šumové napětí e n jsou náhradní zdroje, které modelují vnitřní (skutečné)zdroje šumu v daném tranzistoru – obecně dvoubranu. Proto je nutné počítat s tím, že mohoubýt do určité míry navzájem korelované (mají alespoň částečně stejný původ). Z toho důvoduje výhodné zavést:i n = i nn + Y cor e n (2.31)3 Výkon šumu je z definice nekonečný, ale to pouze v případě, že je frekvenčně neomezený. V našich úvaháchje šumový výkon omezen šířkou pásma B a je tedy konečný8

Šumové parametrykde i nn je označena nekorelovaná část proudu, naopak 100% korelovaná složka proudu i n jevyjádřena pomocí zdroje e n a korelační admitance Y cor [7].Dosazením 2.31 do 2.28 se vyjádří celkový proudi nc = i ns − (i nn + Y cor e n + Y s e n ) = i ns − i nn − e n (Y cor + Y s ) (2.32)Protože všechny tři členy ve vztahu 2.32 jsou nekorelované (nezávislé), lze vyjádřit středníkvadratickou hodnotu jako:[E |i nc | 2] [= E |i ns | 2] [+ E |i nn | 2] [+ |Y cor + Y s | 2 E |e n | 2] (2.33)Šumový činitel podle 2.27 je po dosazení[F = E |i nc | 2] [[E |i ns | 2] = 1 + E |i nn | 2] [[E |i ns | 2] + E |e n | 2]E[|i ns | 2] |Y cor + Y s | 2 (2.34)Lze zavést ekvivalentní šumové vodivosti a odpory a vztah 2.34 přepsat podle 2.36[E |i ns | 2] = 4kT 0 BG s[E |i nn | 2] = 4kT 0 BG n[E |e n | 2] = 4kT 0 BR n (2.35)F = 1 + G nG s+ R nG s|Y cor + Y s | 2 (2.36)Přičemž Y cor a Y s jsou korelační admitance a admitance generátoru, které lze rozepsat dotvaru Y cor = G cor + jB cor a Y s = G s + jB sF = 1 + G nG s+ R nG s((G cor + G s ) 2 + (B cor + B s ) 2) (2.37)R n ,G n a Y cor = G cor + jB cor jsou čtyři šumové parametry, které mohou být vypočtenyz několikanásobného měření F pro různé admitance na vstupu, tj. admitance generátoru Y sDerivací výrazu 2.37, lze najít hodnoty vstupní admitance, pro které bude hodnota šumovéhočinitele minimální.B sopt = −B cor√ ( )G sopt = GnR n+ G cor(2.38)Dosazením optimálních hodnot vodivosti a susceptance generátoru zpět do 2.37 vychází minimálníšumový činitel.( )F min = 1 + 2R n Gsopt + G c (2.39)Rovnici 2.37 lze po úpravě psát jako:F = F min + R nG s((G s − G sopt) 2 + ( B s − B sopt) 2)= F min + R nG s∣ ∣ Y s − Y sopt∣ ∣ 2(2.40)9

Šumové parametryF min , R n , Y sopt = G sopt + jB sopt je další možná čtveřice šumových parametrů, které popisujízávislost šumového činitele na vstupní admitanci, tj. admitanci generátoru Y s . Pokud budeadmitance generátoru rovna optimální hodnotě Y s = Y sopt , bude šumový činitel dvoubranuminimální a bude se rovnat hodnotě F minPro mikrovlnné obvody je výhodné používat šumové parametry, které jsou založené nas-parametrech. Taková čtveřice šumových parametrů je F min , R n , Γ sopt = ∣ ∣∣Γ sopt e jϕ a rovnicepříslušící pro tuto čtveřici parametrů:F = F min + 4 R ∣ ∣nΓ s − Γ sopt 2Z 0 ∣ ∣1 + Γ sopt 2 ( (2.41)2)1 − |Γ s |10

Kapitola 3Metody měření šumového čísla3.1 Y metodaY metoda měření šumového čísla využívá zdroj šumu, který lze přepínat mezi dvěma stavyšumového výkonu. Samotný měřič šumového výkonu je pak wattmeter s pevně definovanoušířkou pásma BF dut , Te dut , G dut F rec , TerecDeviceunder testReceiverNohot , NocoldT hotsT coldsObr. 3.1: Měření šumového čísla Y metodouY metoda je běžnou metodou pro měření šumového čísla. Metoda využívá dvou identickýchzdrojů šumu s odlišnou šumovou teplotou nebo jednoho zdroje, u něhož lze šumovou teplotupřepínat. Y faktor je definován jako poměr šumových výkonů mezi výše zmíněnými stavyšumového výkonu. Tyto dva stavy jsou označovány jako hot a cold nebo on a off.Šumový výkon zdroje šumu ve stavu hot a cold je:Y = N hotN cold (3.1)N coldi = kTscold BNi hot = kTs hot B (3.2)11

Y metodaje šumový výkon na výstupu celé měřící trasy dán podle vztahu 2.10, kde šum přidanýměřící trasou má ekvivalentní šumovou teplotu T eNocoldNohotpo dosazení do definičního vztahu 3.1 Y metody= kT e BG + kTscold BG= kT e BG + kTs hot BG (3.3)Vyjádřením T e získámeDosazením 3.6 do 2.17:Y = kT eBG + kTscold BGkT e BG + kT hot BGsY = T e + TscoldT e + TshotT e = T hot − Y T coldY − 1(3.4)(3.5)(3.6)F = T shotV případě, že T colds− Y T colds + Y T 0 − T 0T 0 (Y − 1)= T 0 , pak lze psát= T shotF = T s hot − T 0T 0 (Y − 1) = T s hot − T 0 1T 0 (Y − 1)− Y T colds + T 0 (Y − 1)T 0 (Y − 1)(3.7)(3.8)3.1.1 Zdroj šumuDůležitým parametrem je ENR – Excess Noise Ratio, který určuje rozdíl mezi stavy hota cold a je definován jako:Vyjádřením T hotS z 3.9ENR = T shotT hotS− T coldsT 0(3.9)= ENR T 0 + T coldS (3.10)a dosazením do vztahu 3.7 z vznikne výraz pro výpočet šumového činitele.V případě, že teplota Tscold je 290K pak T 0 = Ts cold .ENR = T S hot − T 0T 0(3.11)Pak lze šumový činitel s ohledem na 3.8 vyjádřit jako:F = ENR 1Y − 1(3.12)( ) 1F db = ENR dB + log = ENR dB − log (Y − 1)Y − 1(3.13)Kde ENR dB je:ENR dB = 10 log (ENR) (3.14)12

Y metoda3.1.2 Kalibrace, korekcePři zapojení podle obr.3.1 je výsledný šumový činitel dán Friisovým vztahem, neboť sejedná o kaskádu dvoubranů.F sys = F dut + F rec − 1G dut(3.15)F sys je výsledný šumový činitel celé kaskády, tj. měřeného dvoubranu a měřiče šumovéhočísla – receiveru. Ze vztahů je patrné, že pro výpočet F dut je nutné znát F rec , šumový činitelsamotného receiveru. Pro jeho zjištění je nutné měření šumového činitele celé trasy bezvloženého dvoubranu. Toto měření je označováno jako kalibrace.F rec , T receReceiverN2o hot,N 2ocoldT hotsT coldsObr. 3.2: Kalibrace měření Y metodouPři tomto zapojení je šumový činitel kaskády podle Friisova vztahuF sys = F rec (3.16)Y faktor měřený při kalibraci receiverem je poměr šumových výkonů, které receiver měří.Tyto šumové výkony jsou dány šumovými teplotami zdroje šumu a samotného receiveru.Podle 3.5 je Y poměr dánneboliY 2 = N 2ohotN2ocoldT rece= T erecTerec+ T hots+ T cold s= T shot − Y 2 TscoldY 2 − 1Šumový činitel receiveru je podle 3.7 a 3.8 vyjádřen jako:(3.17)(3.18)F rec = T shotPro výpočet je nutná znalost T hots− Y 2 T colds + T 0 (Y 2 − 1)T 0 (Y 2 − 1)a T colds= T hots − T 0T 01(Y 2 − 1)a nebo častěji ENR. Výsledné F rec jeF rec = ENR 1Y 2 − 1(3.19)(3.20)13

Y metoda3.1.3 Měření neznámého dvoubranuJak bylo uvedeno výše, při měření šumového čísla Y metodou je měřený šumový činiteldán Friisovým vztahem.F dut = F sys − F rec − 1G dut(3.21)Přičemž šumový činitel F rec je známý z kalibrace. Výsledný šumový činitel se opět určístejným postupem jaký byl popsán v kapitole o kalibraci.Y 12 = N 12hotN12cold(3.22)T 12 = T shot − Y 12 TscoldY 12 − 1Ze znalosti ENR se vypočte šumový činitel celé trasy včetně vloženého dvoubranu.(3.23)F sys = ENR1Y 12 − 1(3.24)Zbývá určit zisk měřeného dvoubranu.G dut = N 12 hot − N 12coldN2 hot − N2cold(3.25)Šumový činitel měřeného dvoubranu se určí dosazením známých F rec F sys a G dut do vztahu3.21, který se označuje jako second stage correction.14

Y metoda – měření v širším kmitočtovém pásmu3.2 Y metoda – měření v širším kmitočtovém pásmuPro zvětšení frekvenčního rozsahu je možné použít směšovače a měřič šumového číslavyužít jen jako mezifrekvenční jednotku. Jsou možné dvě varianty měření. Jedna variantaje s laditelným generátorem, pak je měřič šumového čísla pevně nastaven na kmitočet mezifrekvence.Druhá možnost je s pevně nastaveným kmitočtem oscilátoru a proměnná je mezifrekvence.kalibracef in f mff loDUTReceiverTshot , TscoldObr. 3.3: Y-metoda, měření v širším pásmu3.2.1 Dual side band měřeníPokud je při měření pevně nastavena mezifrekvence a pro přelaďování se používá generátor,je obtížné filtrovat jedno postranní pásmo, protože je také nutné zajistit dostatečně vyhovujícípřeladitelný filtr. Používá se „konverze dolů“ a na výstupu směšovače se vyskytují produktyale také (viz obr 3.4):f mf = f in1 − f lo (3.26)f mf = f lo − f in2 (3.27)Znamená to, že při konverzi dochází k sečtení šumového výkonu na výstupu DUT nakmitočtu f in1 ale také f in2 . Pokud je šumový faktor a zisk DUT na obou frekvencích shodný,je měřený šumový výkon dvojnásobkem výkonu jednoho postranního pásma. Pokud má všakDUT na obou kmitočtech různý šumový faktor nebo zisk, je měření chybné.Jeden z možných způsobů jak eliminovat výše popsanou potenciální chybu, je zvolit f mfdostatečně malé, tak aby rozdíl kmitočtů f in1 a f in2 byl co nejmenší a tím pádem i možnýrozdíl v hodnotách šumového faktoru a zisku měřeného dvoubranu byl co nejmenší.Ze vztahu 2.9, lze určit výstupní šumový výkon.F = N oGN i→ N o = F (f in ) G (f in ) N i (f in ) = (F GN) fin(3.28)Celkový výstupní šumový výkon při měření DSB, je:N oDSB = (F GN) fin1+ (F GN) fin2(3.29)15

Y metoda – měření v širším kmitočtovém pásmuF dut (f)f mf f in2 f lo f in1Obr. 3.4: DSB měřeníPokud jsou šumové výkony na obou kmitočtech shodné, lze šumový faktor určit jako:3.2.2 Metoda pro korekci hodnot při DSB měřeníF = N oDSBGN i(3.30)V [5] je popsána metoda, kterou lze korigovat výše popsanou chybu. Měří se tři různéšumové výkony pro různá nastavení generátoru i mezifrekvence, tak aby se odečetly šumovévýkony na nežádoucích kmitočtech.F dut (f)f meas f lo f meas + 2f mfObr. 3.5: Korekce DSB měření, první měřeníChceme-li měřit šumový výkon na kmitočtu f meas , bude při DSB měření docházet k sečtenívýkonů podle 3.31Ze vztahu 2.9 lze určit výstupní šumový výkon na základě vstupního šumového výkonu,zisku a šumového čísla. Šumový výkon na výstupu měřeného dvoubranu je pak pro jednotliváměření dán vztahy 3.31, 3.32, 3.33.N 1 = (F GN i ) fmeas+ (F GN i ) fmeas+2f mf(3.31)F dut (f)f meas − 2f mff lof measObr. 3.6: Korekce DSB měření, druhé měření16

Y metoda – měření v širším kmitočtovém pásmuN 2 = (F GN i ) fmeas−2f mf+ (F GN i ) fmeas(3.32)F dut (f)f meas − 2f mff lo = f measf meas + 2f mfObr. 3.7: Korekce DSB měření, třetí měřeníN 3 = (F GN i ) fmeas−2f mf+ (F GN i ) fmeas+2f mf(3.33)N o = N 1 + N 2 − N 3 = 2 (F GN i ) fmeas(3.34)3.2.3 Single side band měřeníF = N oGN i= N 1 + N 2 − N 3GN i(3.35)Je-li kmitočet generátoru pevně nastaven, využívá se k přelaďování změna mezifrekvence.Díky tomu, že je kmitočet generátoru nastaven fixně, je možné celé jedno postranní pásmoodfiltrovat.F dut (f)f in2 f lo f in1Obr. 3.8: SSB měřeníMěřič šumového čísla zpracovává pouze jeden produkt:f mf = f in1 − f lo (3.36)Díky tomu odpadají problémy s příjmem signálu na nežádoucím kmitočtu.17

Kapitola 4Měření šumových parametrůExistuje několik metod pro měření šumových parametrů. Přímá metoda vychází z definičníhovztahu a je založena na nalezení takového odrazu na vstupu měřeného dvoubranu, abytento měl minimální šumový činitel. Tato metoda se však v praxi nepoužívá, protože časovánáročnost hledání Γ opt je značná a dále vyžaduje možnost připojit na vstup tranzistoru velkémnožství známých odrazů.F = F min + 4 R ∣ ∣nΓ s − Γ sopt 2∣ ∣Z 0 ∣1 + Γ sopt 2 ( (4.1)2)1 − |Γ s |Pro nastavení různých vstupních Γ s se často používá automatizovaných systémů s elektronickyřízeným mechanickým tunerem, který je schopen v dostatečně širokém frekvenčnímpásmu nastavit potřebné množství přesně známých odrazů na bráně, ke které je připojenměřený dvoubran.Čtveřici šumových parametrů, Γ sopt , R n , Z 0 lze v takovém zapojení určit měřením šumovéhočinitele pro alespoň čtyři hodnoty odrazu Γ s na vstupu dvoubranu a řešením soustavyčtyřech rovnic.Γ inTuner DUT ReceiverTshot , TscoldΓ sΓ outObr. 4.1: Měření šumových parametrů18

Určení šumových parametrů z naměřených dat76F [−]54310.50Imag(Γ s)−0.5−1−1−0.50Real(Γ s)0.51Obr. 4.2: Funkce popisující závislost šumového činitele dvoubranu na vstupním odrazu Γ sFunkce na obrázku 4.2 představuje závislost popsanou rovnicí 4.1. Funkce nabývá právějednoho minima v bodě Γ opt4.1 Určení šumových parametrů z naměřených datUrčení šumových parametrů z naměřeného souboru hodnot F i = f (Γ si ) resp. F i = f (Y si )není možné řešit přímo řešením soustavy rovnic, protože jednotlivá měření jsou zatíženachybou a řešení by nebylo jednoznačné. Bylo navrženo několik metod pro určení šumovýchparametrů.4.1.1 Laneho metoda (metoda nejmenších čtverců)Metoda podle [9] využívá metody nejmenších čtverců k určení šumových parametrů z naměřenýchdat.F = F min + R nG s|Y s − Y opt | 2 (4.2)19

Určení šumových parametrů z naměřených datPůvodní rovnici pro určení šumových parametrů, lze přepsat jako:F = A + BG s + C + BB2 s + DB sG s(4.3)kde A, B, C, D je nová čtveřice parametrů, z nichž lze šumové parametry určit podle vztahů4.4 – 4.7F min = A + √ 4BC − D 2 (4.4)R n = B (4.5)4BC − D2G opt =2BB opt = −D2B(4.6)(4.7)(4.8)Rovnice 4.9 je lineární aproximace funkce 4.3 pro n měření, kde F i jsou jednotlivé naměřenéhodnoty šumového činitele pro různé vstupní admitance G si + jB si . Parametr W pak váhujejednotlivá měření. To je užitečné například pokud mají měření různou přesnost a je možné jepomocí tohoto parametru ohodnotit.ǫ = 1 2n∑i=1(W i[A + B G si + B )si+ C + DB ] 2si− F i (4.9)G si G si G siPro určení parametrů A, B, C, D, je třeba najít minimum funkce 4.9. Po zderivování 4.9pro jednotlivé parametry vznikne soustava 4 rovnic 4.10 – 4.13kde∂ǫn∂A = ∑W i P = 0 (4.10)i=1∂ǫn ( )∂B = ∑W i G si + B2 siP = 0 (4.11)G sii=1∂ǫn∂C = ∑ 1W i P = 0 (4.12)G sii=1∂ǫn∂D = ∑ B siW i P = 0 (4.13)G siP = A + B(i=1)G si + B2 si+ C + DB si− F i (4.14)G si G si G siRozepsáním koeficientů pro jednotlivé neznámé A, B, C, D, z jednotlivých rovnic 4.10 -4.13 do matice S a koeficientů pravých stran do vektoru t lze řešit soustavu výše uvedenýchrovnic.Sx = t (4.15)20

Určení šumových parametrů z naměřených dat⎛S =⎜⎝∑ ni=1W i∑ ni=1W i Q∑ ni=1 W iG si∑ ni=1W i Q ∑ ni=1 W i Q 2 ∑ ni=1 W iG siQ∑ ni=1W i1G si∑ ni=1W iB siG si∑ ni=1 W iG siQ∑ ni=1W iB siG siQ∑ ni=1 W iG 2 si∑ ni=1 W iB siG 2 si∑ nn=1W iB siG si∑ nn=1 W iB siG siQ∑ nn=1W iB siG 2 si∑ nn=1W iB 2 siG 2 si⎞⎟⎠⎛t =⎜⎝W i F iW i F i QW i F i1G siW i F iB siG si⎞⎟⎠⎛x =⎜⎝ABCD⎞⎟⎠kdeQ = G si + B2 siG si(4.16)4.1.2 Modifikovaná Laneho metodaModifikovaná Laneho metoda váhuje jednotlivá měření pomocí parametru W tak, žeměřením s malým naměřeným šumovým činitelem přiřazuje největší váhu podle vzorce 4.17.Měření, která mají v souboru naměřených dat nejmenší hodnotu šumového činitele jsou blížehodnotě Γ opt resp.Y opt a jejich váhování vyšší hodnotou W i vede na přesnější určení optimaΓ opt resp. Y opt [10].W i = 1Fi2(4.17)21

Kapitola 5Realizace měřícího systémuNavržený měřící systém je schopen měřit šumové číslo v rozsahu od 10 MHz – 1.5 GHzv případě použití vlastního rozsahu přístroje HP8970A. V rozsahu nad 1.5 GHz byla sestavatestována se syntezátorem Agilent E8257D a několika různými směšovači, které pokryly pásmodo 15 GHz. Rozsah měření je shora omezen dostupným směšovačem (max 15 GHz) a zdrojemšumu (HP346B max. 18 GHz a HP346C max. 26.5 GHz)Sestava pro měření šumových parametrů obsahuje navíc elektronicky řízený tuner MauryMT893. Tuner je použitelný v rozsahu 4 GHz - 26.5 GHz, ale frekvenční omezení platí shodnájako v případě měření šumového čísla.Základem měřící sestavy je měřič šumového čísla HP8970A, který je pomocí GPIB sběrnicepřipojen k počítači s řídícím softwarem. Řídící software na HP8970A střídavě nastavujestavy hot a cold a využívá HP8970A k měření šumového výkonu v těchto dvou stavech.Z naměřených hodnot šumového výkonu určuje šumové číslo a zisk, ale také umožňuje uložitcelou sadu naměřených dat včetně přímo naměřených hodnot šumového výkonu pro případnoupozdější korekci.Pro měření na každém kmitočtu se provádí průměrování. Ačkoliv přístroj HP8970A umožňujevlastní průměrování naměřených dat, naměřená data se průměrují až softwarově v počítači.Průměrování hodnot má při měření šumového čísla velký vliv, neboť šum je náhodný signála průměrování velkého množství měření eliminuje vnější šumy, které zkreslují měření.Počet průměrovaných Redukce nežádoucích šumůměření šumů [%]1 04 5010 68.416 75.064 87.5100 90.0256 93.75Tab. 5.1: Vliv průměrování naměřených hodnot na potlačení nežádoucích šumů [2]22

5.0.3 HP8970A, měřič šumového číslaHP8970A je přístroj pro měření šumového čísla Y metodou, v rozsahu kmitočtů 10 −1500 MHz. Obsahuje trojí konverzi, přičemž první konverze je nahoru, na mezifrekvenci 2050 MHz.První konverzí nahoru se odstraní problém se zrcadlovým kmitočtem na vstupu přístroje.Další dva směšovače konvertují dolů, na 300 MHz a poté 20 MHz. 20 MHz pásmové propustiv poslední sekci směšovačů mají šířku pásma 4 MHz a detektor tak měří šumový výkon v tétošířce pásma.1550 MHz 1550 MHz 5000 MHz2050 MHz 300 MHz2060 − 3550 MHz1750 MHz15 dB 300 MHz20 MHz 22 dB 20 MHz 20 MHz280 MHzŘídícíjednotkaDA28 VHP-IBdisplay,klávesnicePaměťObr. 5.1: Zjednodušené blokové schéma přístroje HP8970AŠířka pásma figuruje v definičním vztahu šumového výkonu. Pokud by se pomocí tohotopřístroje měřil obvod, jenž by měl šířku pásma menší než 4 MHz, výpočet šumové teplotyz naměřeného výkonu by byl chybný.Řídící elektronika generuje průběh napětí pro zdroj šumu. Průběh je obdélníkový a přepínázdroj šumu mezi stavy hot a cold . Tímto průběhem je ve zdroji šumu napájena dioda, kterášum produkuje. Ve stavu hot je na výstupu pro napájení šumového generátoru 28 V.23

Měření šumového číslaRozsah 0 ÷ 30 dB Při ENR ≈ 15 dBNejistota měření0.1 dBMěření ziskuRozsah−20 ÷ 40 dBNejistota měření0.2 dBVstupFrekvenční rozsah10 ÷ 1500 MHzMaximální vstupní výkon−10 dBmOdraz na vstupu|Γ| < 0.26 (< −11.7 dB)Šumové číslo< 7 dB + 0.003 dB/MHzTab. 5.2: Vybrané parametry přístroje HP8970AVe zdrojovém kódu jsou všechny funkce týkající se ovládání přístroje HP8970A umístěnév souboru nfm_control.c. Stručná dokumentace jednotlivých funkcí je umístěna v příloze B.1.Funkce pro ovládání HP8970A využívají GPIB komunikace. V tabulce 5.3 je několik GPIBpříkazů.GPIB příkazMHMCQ1FRxMZIxRxPopisNastaví přístroj pro měření šumového výkonu ve stavu hot . Na pravémdisplayi je zobrazována měřená hodnota šumového výkonu. Řídící napětípro zdroj šumu je nastaveno na 28 V.Nastaví přístroj pro měření šumového výkonu ve stavu cold . Řídícínapětí pro zdroj šumu je nastaveno na 0 V.Přístroj odesílá data ihned jakmile jsou prohlášena za platná.Nastaví frekvenci na x MHz.Nastaví IF atenuátor (x = 0 → auto) viz B.1.Nastaví RF atenuátor (x = 0 → auto) viz B.1.Tab. 5.3: Vybrané GPIB příkazy přístroje HP8970A5.0.4 Zdroj šumu, HP346BVolba vhodného zdroje šumu může značnou mírou ovlivnit výsledky měření. Zdroje šumuse liší různým ENR a podle parametrů měřeného dvoubranu je třeba určit, která variantabude výhodnější.Použití šumového zdroje s malým ENR, tj ≈ 6 dB připadá v úvahu pro případ měřenídvoubranů s šumovým číslem do 16 − 18 dBVýhody zdroje šumu s malým ENR jsou následující:• Malý výstupní výkon redukuje možné problémy způsobené nelinearitou měřeného dvoubranu• Malý rozdíl v impedanci ve stavech hot a cold . Zdroje šumu s ENR = 6 dB obsahujívestavěný atenuátor, který redukuje nepřizpůsobení.24

Frekvenční rozsah 10 ÷ 18000 MHzOdraz na výstupu10 ÷ 30 MHz 0.1330 ÷ 5000 MHz 0.075000 ÷ 18000 MHz 0.11Tab. 5.4: Vybrané parametry zdroje šumu HP345BObr. 5.2: Zdroj šumu HP346B s přidaným atenuátoremVýkon na výstupuVýkon na výstupu zdroje šumu je parametr, který určí jaký největší zisk může mítdvoubran vložený do měřící trasy, udává-li výrobce maximální hodnotu výkonu na vstupupřístroje HP8970A jako −10 dBm. Bude-li teplota prostředí T cold shodná s teplotou T 0 pakpodle 3.10 je teplota šumového zdroje ve stavu hotT hot = (290 · ENR) + 290 = 9460 K (5.1)Výkon šumu na výstupu, při šířce pásma B = 18 GHz − 10 MHz a ENR ≈ 15 dB jeÚprava HP346BN hotdb = 10 log (kT hot B) = −86.3 dBm (5.2)Šumový zdroj HP346B jehož nominální hodnota ENR = 15 dB není právě díky vyšší hodnotěENR vhodný pro měření dvoubranů se šumovým číslem menším jak ≈ 15 dB. Přidánímpřesně změřeného atenuátoru na výstup HP346B dojde k redukci ENR. A také potlačenírozdílu mezi odrazem ve stavu hot a cold .25

5.0.5 Generátor HP8350Generátor HP8350 je mainframe s možností různých plug-in jednotek. Použitá jednotkaHP83597B umožňuje generovat signál v rozsahu 0, 01 ÷ 40 GHz. Přístroj lze ovládat po GPIBsběrnici. Generátor je v měřícím systému použit v případě měření nad rozsah měřiče šumovéhočísla jako lokální oscilátor ke směšovači. Funkce pro ovládání generátoru jsou umístěnyv souboru gen_control.c.GPIB příkazFRxGZPLxDBCWRF1RF0MD1MD0PopisNastaví frekvenci na x GHzNastaví výstupní úroveň na x dBmNastaví výstup do CW režimuZapne výstup generátoruVypne výstup generátoruZapne modulaci generátoruVypne modulaci generátoruTab. 5.5: Vybrané GPIB příkazy přístroje HP83505.0.6 Syntezátor Agilent E8257DSyntezátor Agilent E8257D umožňuje generovat signál v rozsahu 250 kHz÷50 GHz. V měřícímsystému může být použit namísto HP8350 protože díky své koncepci má čistější frekvenčníspektrum a přesnější nastavení výstupního výkonu na rozdíl od HP8350. Stejně jako v případěgenerátoru HP8350 jsou veškeré funkce pro ovládání syntezátoru umístěny v souborugen_control.c. Stručná dokumentace k tomuto souboru je v příloze B.3.GPIB příkazFREQ x HZPOW:AMPL x dBmOUTP:STAT ONOUTP:STAT OFFOUTP:MOD ONOUTP:MOD OFFPopisNastaví frekvenci na x HzNastaví výstupní úroveň na x dBmZapne výstup generátoruVypne výstup generátoruZapne modulaci generátoruVypne výstup generátoruTab. 5.6: Vybrané GPIB příkazy přístroje E8257D26

5.0.7 Impedanční tuner MT893A01Elektronicky řízený tuner Maury MT893A01, je dvoubran, který umožňuje nastavení koeficientuodrazu Γ v rozsahu od 0 do 0.81 a to ve frekvenčním pásmu 4 ÷ 26.5 GHzTuner obsahuje tři motory, označené jako carrier, probe1 a probe2. Tuner je připojenke kontroléru Maury MT1050C, který je po USB rozhraní spojen s řídícím počítačem. Pomocíkontroléru je možné nastavovat absolutní pozice motorů, ale pro určení přesné hodnotyS-parametrů pro zvolené nastavení motorů je nutné tuner nejprve zkalibrovat pomocí vektorovéhoanalyzátoru.Obr. 5.3: Zkalibrované impedanční body v rovině S 11 pro kmitočet 4 GHzKalibrace se provádí pomocí programového vybavení dodaného k tunerům. Kalibruje sev diskrétních bodech, se vzájemnou konstantní vzdáleností ve Smitově diagramu viz obr.5.3. Vzájemná konstantní vzdálenost bodů platí pouze pro jednu vybranou bránu tuneru.Kalibrační soubor obsahuje přiřazení změřených S-parametrů k polohám motorů.Ve zdrojovém kódu řídícího software jsou všechny funkce týkající se ovládání tuneruumístěny v souboru tun_control.c. Pro ovládání tuneru je použita knihovna MLibTuners.dlldodávaná výrobcem. Knihovna poskytuje několik základních funkcí: nastavení kontroléru,výběr použitého typu tuneru, funkce pro získání aktuální polohy motorů a nastavení polohymotorů. Stručný popis funkcí implementovaných v souboru tun_control.c je v příloze B.4.27

5.0.8 Nejistoty měřeníŠumové číslo měřeného dvoubranu je funkcí několika veličin.F dut = f (F sys , F rec , G dut ) (5.3)Na základě vztahu 3.21 lze podle zákona o šíření nejistot, určit nejistotu typu B měřeníšumového činitele dvoubranu.Po derivaci√δF dut =√(∂Fdut∂F sysδF sys) 2+δF dut =√ (δFsys ) 2 +( ) 2 ( ) 2 ∂Fdut∂FdutδF rec + δG dut (5.4)∂F rec ∂G dut(− δF ) ( ) 2 2rec Frec − 1+G dut G 2 δG dut (5.5)dutPro vyjádření nejistoty měření šumového čísla je nutné přepočítat šumový činitel podlevztahuNF = 10 log (F ) (5.6)21.81.61.41.2δ NF [dB]10.80.60.40.200246810109876543210G [dB]NF [dB]Obr. 5.4: Závislost nejistoty měření δNF dut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranuF dut , G dut28

Nejistota pro logaritmickou závislost se určí jakoDosazením do vztahu 5.4δNF dut =√ (FsysδNF = δ [10 log (F )] (5.7)dNF =1d [10 log (F )] =F ln (10) dFδNF = 4.34 δF FF dutδNF sys) 2+( ) 2 ( ) FrecFrec − 12δNF rec + δG dutdb (5.8)G dut F dut F dut G dutZbývají určit nejistoty měření NF sys , NF rec , G dutdb . Ve zjednodušeném přiblížení lze jakohodnoty těchto nejistot použít přímo nejistoty měření přístroje HP8970A [2]δNF sys = δNF rec = 0.1 dB, δG dut = 0.2 dB.Na obrázku 5.4 je graf, který vykresluje závislost nejistoty měření šumového čísla na ziskua šumovém čísle měřeného dvoubranu. Je patrné, že největší nejistota měření nastává přiměření dvoubranu s malým ziskem i šumovým číslem.29

Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz5.1 Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHzV nejnižším kmitočtovém pásmu je měření šumového čísla realizováno přímo pomocíměřiče šumového čísla, který je přeladitelný v pásmu 10MHz – 1500, MHz. Přístroj je řízen posběrnici tak, že pro každý nastavený kmitočet měří několikrát hodnotu vstupního výkonu prostav hot a cold a měřená data průměruje. Veškeré další výpočty vedoucí k určení šumovéhočísla jsou realizovány řídícím softwarem.Před samotným měřením, je nutné celou měřící trasu zkalibrovat. Po kalibraci je možnéměřit i na frekvenci, která nebyla obsažena v kalibraci, ale leží mezi dvěma frekvenčnímibody, které zkalibrovány byly. Data se aproximují lineárně. Stejným způsobem se aproximujehodnota ENR, která je udána jen v několika bodech.kalibraceHP345B DUT HP8970AŘídícípočítačGPIBObr. 5.5: Schéma měřící sestavy v pásmu 10 MHz – 1500 MHzPostup měření je krok za krokem vysvětlen v diagramu na obrázku 5.6. Nejprve je přístrojHP8970A inicializován (resetován). Poté je ovládání nastavitelných atenuátorů uvnitř přístrojeuvedeno do stavu auto. Průměrování přístroje HP8970A je vypnuto, resp nastaveno na n = 1 afrekvence přístroje je nastavena na počáteční frekvenci, která je nastavena v řídícím software.Měřící cyklus obsahuje celkem dvě smyčky, v jedné se opakovaně nastavuje stav hot acold než proběhne požadovaný počet měření k zprůměrování. Tato hodnota se nastavujez ovládacího rozhraní řídícího software.Po změření a zprůměrování zvoleného množství hodnot se přeladí přístroj HP8970A nanásledující frekvenci a následuje opět opakované měření hodnot výkonu ve stavech hot a cold.30

Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHzStartInicializace přístrojepočáteční nastavení(j ≥ c)nebo stopměření ?Nen = počet frekvencíc = počet opakováníi = 0, j = 0hot i =cold i =∑ hotj∑ ccoldjcNastavení hotčtení hodnotyZvýšení frekvenceHP8970i = i + 1Nastavení coldčtení hodnotyj = j + 1(i ≥ n)nebo stopměření ?Nej = 0ZpracováníhodnotKonecObr. 5.6: Postup činnosti obslužného software při měření31

Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz5.1.1 Vyhodnocení nejistotNejistoty měření se téměř neliší od popisu měření nejistot uvedených v kapitole 5.0.8. Protakto konkrétně sestavenou trasu je třeba ještě započítat nejistoty vzniklé nepřizpůsobenímjednotlivých prvků trasy.Γ inΓ nfmHP345B DUT HP8970AΓ nsΓ outObr. 5.7: Odrazy v měřící traseNejistota vzniklá nepřizpůsobením se určí ze vztahu 5.9.u source−load = max (±20 log (1 ± |Γ source | |Γ load |)) (5.9)Nejistoty měření NF rec , NF rec , G dut se určí jako kombinovaná standardní nejistota z nejistotsamotných přístrojů a nejistot způsobených nepřizpůsobením.δNF rec =δNF sys =δG dut =√(u ns−nfm ) 2 + (δNF ) 2√(5.10)(u ns−dut ) 2 + (δNF ) 2√(5.11)(u dut−nfm ) 2 + (u ns−nfm ) 2 + (u ns−dut ) 2 + (δG) 2 (5.12)(5.13)Dosazením rovnic 5.10, 5.11, 5.12 do 5.8 a dosazením konkrétních hodnot odrazů použitýchpřístrojů, lze určit výslednou nejistotu měření tímto systémem.Graf představující závislost nejistoty měření na šumovém čísle a zisku samotného měřenéhodvoubranu je na obrázku 5.8. Do závislosti jsou započítány hodnoty nejistot, vstupních avýstupních odrazů použitých přístrojů. Jako hodnota odrazu měřeného dvoubranu byla vzatahodnota −15 dB.Závislost nejistoty měření na přizpůsobení měřeného dvoubranu je na obr. 5.9 a 5.10.Závislost nejistot na vstupních a výstupních odrazech je vynesena pro různé hodnoty F dut aG dut . Z grafů je patrný vliv zisku dvoubranu. Nejistota vlivem nepřizpůsobení je u dvoubranůs vysokým ziskem menší.32

Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz43.532.5δ NF [dB]21.510.5005G [dB]101086NF [dB]420Obr. 5.8: Závislost nejistoty měření δNF dut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranuF dut , G dut se započteným vlivem odrazů měřící trasy a měřeného dvoubranu5.1.2 Měření atenuátoruPro ověření funkčnosti měřícího systému bylo provedeno 10 měření šumového čísla atenuátoruo nominální hodnotě 5 dB. Podle vztahu 2.26 je šumové číslo pasivního prvku stejně velkéjako jeho útlum. S-parametry měřeného atenuátoru byly získány na vektorovém analyzátoru.Atenuátor byl měřen dvakrát. Nejprve s použitím ENR = 15 dB a poté ENR = 5 dB. Naobr. 5.11 a 5.12 jsou znázorněny průběhy všech 10-ti měření atenuátoru pro obě hodnoty ENR.V souboru naměřených dat je patrný vliv zdroje šumu s menší hodnotou ENR. Zprůměrovanéhodnoty všech měření pro oba typy zdroje šumu jsou porovnány v grafu na obr. 5.13.33

Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz2520δ NF [dB]1510500−10Γ out−20−30−30−20Γ in−100Obr. 5.9: Závislost nejistoty měření na přizpůsobení vstupu a výstupu měřeného dvoubranu,pro F dut = 5 db, G dut = −5 db1.51δ NF [dB]0.500−10Γ out−20−30−30−20Γ in−100Obr. 5.10: Závislost nejistoty měření na přizpůsobení vstupu a výstupu měřeného dvoubranu,pro F dut = 3 db, G dut = 16 db34

Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz5.5NF [dB]54.50 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Frekvence [MHz]NF atenuatoru, smoothing=25S21 atenuatoru zmereneho na VNAObr. 5.11: Průběhy měření atenuátoru se zdrojem šumu ENR = 15 dB5.5NF [dB]54.50 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Frekvence [MHz]NF atenuatoru, smoothing=25S21 atenuatoru zmereneho na VNAObr. 5.12: Průběhy měření atenuátoru se zdrojem šumu ENR = 5 dB35

Sestava pro měření šumového čísla v pásmu 10 MHz – 1500 MHz5.55.455.45.355.3NF [dB]5.255.25.155.15.0550 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Frekvence [MHz]ENR=15dB ENR=5dB S12 atenuatoruObr. 5.13: Porovnání zprůměrovaných měřeníObr. 5.14: Pohled na HP8970A36

Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHz5.2 Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHzSestava pro měření v pásmu nad základní rozsah měřiče šumového čísla obsahuje navícgenerátor (syntezátor) a směšovač. Pro pokrytí celého pásma je nutné použití několika různýchsměšovačů.Typ směšovačeFrekvenční pásmoDoporučený budícívýkon na bráně LOMini-circuits ZEM-4300 300 − 4300 MHz 7 dBmMini-circuits ZX05-153-S+ 3400 − 15000 MHz 7 dBmMini-circuits ZMX-10G 3700 − 10000 MHz 7 dBmTab. 5.7: Použité směšovače pro měření mimo základní pásmoPoužité směšovače nemají příliš dobré přizpůsobení bran a díky vznikajícím odrazůmv trase roste i nejistota měření.Při měření na kmitočtech menších než 1500 MHz se vyskytuje veliká odchylka měření vizobr. 5.18. Chyba je způsobena pronikáním signálu z oscilátoru do vstupu HP8970A. Přidánímdolní propusti před vstup HP8970A se tato odchylka výrazně potlačí viz obr. 5.20, 5.21.kalibraceHP345B DUT HP8970AŘídícípočítačGPIBObr. 5.15: Schéma sestavy pro měření v pásmu nad 1.5 GHzPostup měření je vysvětlen diagramem na obr. 5.16. Na rozdíl od měření v základnímpásmu, je frekvence HP8970A v průběhu měření pevně nastavena a celý přístroj slouží jakomezifrekvenční jednotka. Protože je použito DSB měření, mění se frekvence generátoru. Tenje nastaven do CW režimu, tj. bez jakékoliv modulace. Měřící cyklus probíhá obdobně jakov případě měření v základním pásmu.37

Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHzStartInicializace přístrojůpočáteční nastavení(j ≥ c)nebo stopměření ?Nen = počet frekvencíc = počet opakováníi = 0, j = 0hot i =cold i =∑ hotj∑ ccoldjcNastavení hotčtení hodnotyZapnutí výkonugenerátoruZvýšení frekvencegenerátorui = i + 1Nastavení coldčtení hodnotyj = j + 1(i ≥ n)nebo stopměření ?Nej = 0Vypnutí výkonugenerátoruZpracováníhodnotKonecObr. 5.16: Postup činnosti obslužného software při měření38

Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHz5.2.1 Vyhodnocení nejistotV systému se směšovačem jsou nejistoty měření doplněny o nejistoty vzniklé nepřizpůsobenímbran směšovačů. Celková nejistota je opět určena ze vztahu 5.8. Dílčí nejistoty měřeníNF rec , NF sys a G dut vycházejí z 5.10, 5.11 a 5.12.Γ inΓ mixrfΓ nfmHP345B DUT HP8970AΓ nsΓ outΓ mixifObr. 5.17: Odrazy v měřící traseNejistoty měření NF rec , NF rec , G dut se určí jako kombinovaná standardní nejistota z nejistotsamotných přístrojů a nejistot způsobených nepřizpůsobením.Výsledná závislost nejistot je vynesena v grafu na obr. 5.19. Na vstupní i výstupní bráněDUT byla uvažována hodnota |Γ| = −15 dB. Na branách směšovače pak |Γ| = −5 dB. NejistotaδNF rec =δNF sys =δG dut =√ ( ) 2 () 2u ns−mixrf + u mixif −nfm + (δNF )2(5.14)√(u ns−dut ) 2 + (δNF ) 2 (5.15)√ ( ) 2 () 2 ( ) 2u dut−mixrf + 2 u mixif −nfm + u ns−mixrf + (uns−dut ) 2 + (δG) 2 (5.16)5.2.2 Měření atenuátoruPro ověření funkčnosti systému byl stejně jako v předchozím případě měřen 5 db atenuátor.Mezifrekvenční kmitočet byl nastaven na nejnižší možnou mez, tj. 10 MHz. Měření bylorealizováno se třemi různými směšovači, které pokrývají pásmo do 15 GHz viz tabulka 5.7. Přiměření v pásmu pod 1500 MHz se vyskytuje značná odchylka měřené hodnoty viz obr 5.18.Odchylka vzniká pronikáním signálu z generátoru díky konečné izolaci bran LO-IF směšovače.Po vložení DP filtru mezi směšovač a vstup HP8970A došlo k potlačení odchylky. V grafuna obr. 5.22 jsou vyneseny naměřené hodnoty atenuátoru s použitím několika směšovačů,tak aby se překrylo větší pásmo. Na rozdíl od měření atenuátoru v pásmu 10 − 1500 MHz sezde vyskytuje větší odchylka měřených hodnot šumového čísla od hodnoty S 21 změřené naVNA. Protože měření šumového čísla je skalární měření je odchylka z velké míry způsobenanepřizpůsobením bran směšovače.39

Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHzNF [dB]12.51211.51110.5109.598.587.576.565.554.541000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500Frekvence [MHz]NF atenuatoru, smoothing=25S21 atenuatoru zmereneho na VNAObr. 5.18: DSB měření atenuátoru bez filtru na vstupu HP8970A, ENR = 15 dB, směšovačZEM-4300δ NF [dB]2018161412108642005G [dB]101086NF [dB]420Obr. 5.19: Závislost nejistoty měření δNF dut na šumovém čísle a zisku měřeného dvoubranuF dut , G dut se započteným vlivem odrazů měřící trasy a měřeného dvoubranu40

Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHzNF [dB]12.51211.51110.5109.598.587.576.565.554.541000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500Frekvence [MHz]NF atenuatoru, smoothing=25S21 atenuatoru zmereneho na VNAObr. 5.20: DSB měření atenuátoru s DP 300 MHz na vstupu HP8970A, ENR = 15 dB,směšovač ZEM-4300NF[dB]12.51211.51110.5109.598.587.576.565.554.541000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500Frekvence [MHz]NF atenuatoru, smoothing=25S21 atenuatoru zmereneho na VNAObr. 5.21: DSB měření atenuátoru s DP 300 MHz na vstupu HP8970A, ENR = 5 dB, směšovačZEM-430041

Sestava pro měření šumového čísla nad 1.5 GHz6.565.5NF[dB]54.543.50 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000Frekvence [MHz]ZEM-4300ZMX-10GZX05-153.S21 atenuatoru zmereneho na VNAObr. 5.22: Zprůměrovaná měření 5 dB atenuátoru měřeného různými směšovačiObr. 5.23: Pohled na měřící sestavu42

Sestava pro měření šumových parametrů5.3 Sestava pro měření šumových parametrůMěření šumových parametrů spočívá v měření šumového činitele pro různé hodnoty odrazuna vstupu měřeného dvoubranu. Různých hodnot odrazů lze dosáhnout pomocí elektronickyřízeného přeladitelného tuneru. Ten je připojen na vstup měřeného dvoubranu. K tunerunáleží kontrolér, který je po sběrnici USB připojen k počítači s obslužným software.MT1020CkalibraceΓHP345B DUT HP8970AŘídícípočítačGPIBUSBObr. 5.24: Schéma měřící sestavy pro měření šumových parametrůPostup měření je vysvětlen na diagramu 5.26. Po inicializaci přístrojů a počátečním nastaveníse pro zvolenou frekvenci vybere N bodů 1 a absolutní hodnota Γ s poblíž které se majíbody rovnoměrně rozdělit. Před každým měřením šumového činitele se nejprve tuner nastavína požadovaný odraz, poté se provede měření šumového činitele a to se celé opakuje pro zvolenýpočet bodů. Z naměřeného souboru dat tj. F dut a Y s resp Γ s se Laneho metodou nebomodifikovanou Laneho metodou se určí šumové parametry měřeného dvoubranu.Pro přesnější určení bodu Y opt resp. Γ opt je možné zapnout druhý měřící cyklus, kterýna základě vypočteného Y opt vybere M bodů v jeho blízkosti. Po změření se opět pomocíLaneho metody nebo modifikované Laneho metody provede výpočet šumových parametrů.Příklad výběru bodů je ukázán v diagramu na obr. 5.25. V prvním kroku měření bylo zvolenoN = 6 a maximum absolutní hodnoty odrazu Γ s = 0.3. Algoritmus vybral 6 bodů, které jsouv diagramu označeny modře. V druhém kroku se vybírají body poblíž vypočteného bodu Γ opt ,který je znázorněn červeně. Černých M = 6 bodů je vybráno v blízkosti vypočteného optima.Příklad měření šumových parametrů tranzistoru s touto sestavou je popsán v kapitole 6.3.1 počet N a M je zvolen z uživatelského rozhraní řídícího software43

Sestava pro měření šumových parametrůObr. 5.25: Příklad výběru bodů v prvním a druhém kroku měření44

Sestava pro měření šumových parametrůStartVýpočetF min , R n , Y optInicializace přístrojůpočáteční nastaveníNeKrok 2?n = N (počet bodů)C = počet frekvencíi = 0, j = 0, f = 0(f ≥ C)Výběr nových Mbodůn = M, i = 0Nastavení frekvencef = f + 1Zpracování hodnotVýběr N bodůKonecNastavení Γ si = i + 1Měření F dut(i ≥ n)NeObr. 5.26: Postup činnosti obslužného software při měření45

Kapitola 6Měření s navrženou sestavou6.1 Měření LNA v systému 75ΩMěření v systému 75Ω nebo obecně v systému o jiné impedanci než je 50Ω vyžaduje použitíimpedančních transformátorů. V případě kalibrace by se však první transformátor v důsledkuFriisova vztahu neuplatnil. Je nutné zvlášť změřit šumové číslo transformátorů a poté provéstkorekci změřeného šumového čísla LNA včetně transformátorů.kalibraceHP345B 50/75 LNA 75/50HP8970AMěření redukcíObr. 6.1: Měření v systému 75ΩProtože jsou použité transformátory odporové, platí že:F = 1 G(6.1)Nejprve je nutné změřit obě redukce. Šumový činitel obou redukcí dohromady je dánFriisovým vztahem. Kde F A je celkový šumový činitel obou redukcí vyjádřený pomocí Friisovavztahu. První z redukcí má šumový činitel F 50/75 a druhá F 75/50 . Předpoklad je, že obě redukcejsou shodné. Díky tomu lze psát F 50/75 = F 75/50 a dále pak F 50/75 = 1G 50/75.F A = F 50/75 + F 75/50 − 1( )= FG 50/75 + F 75/50 − 1 F 50/75 (6.2)50/75F A = F 50/75 + F 75/50 F 50/75 − F 50/75 (6.3)46

Měření LNA v systému 75ΩF 50/75 = F 75/50 = √ F A (6.4)G 50/75 = G 75/50 = √ G A = √ F A (6.5)Zisk samotného LNA lze vyjádřit jako:G dut = G A G lna G A (6.6)G lna = G dutG A G A(6.7)1.51.41.3NF [dB]G [dB]Návrh NF [dB]Návrh G [dB]30251.220NF [dB]1.1115G [dB]0.9100.80.750.60300 400 500 600 700 800Frekvence [MHz]Obr. 6.2: Porovnání naměřených hodnotCelkový šumový činitel zesilovače včetně redukcí je opět vyjádřen Friisovým vztahem.Šumový činitel LNA je:F lna =F dut = F 50/75 + F lna − 1G 50/75+ F 75/50 − 1G 50/75 G lna(6.8)((6.9)F dut − F 50/75 − F )75/50 − 1GG 50/75 G 50/75 + 1 (6.10)lnaVýsledný vypočtený průběh šumového čísla a zisku je spolu s hodnotami výrobce vynesenv grafu na obr. 6.2.47

Měření zesilovače mini-circuits ZVA-2136.2 Měření zesilovače mini-circuits ZVA-213Zesilovač Mini-Circuits ZVA-213+ je podle údajů výrobce širokopásmový zesilovač v rozsahu800 MHz − 21 GHz. Pro změření zesilovače v širokém pásmu je nutné použití několika směšovačů.Výsledné průběhy jsou vyneseny v grafu 6.3, kde je možné je srovnat s hodnotou udanouv katalogu výrobce.12111098NF [dB]7654320 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000Pouze HP8970AZEM-4300Frekvence [MHz]ZMX-10GZX05-153-S+Katalog. hodnotyObr. 6.3: Šumové číslo zesilovače ZVA-213Při měření byl použit syntezátor Agilent E8257D, zdroj šumu HP346B s přidaným atenuátorem,aby výsledná hodnota byla ENR = 5 dB.48

Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-706.3 Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70Excelis EPA060B-70 je výkonový FET tranzistor. Výrobce v katalogovém listu uvádíhodnoty šumových parametrů:̸ Frekvence [GHz] |Γ opt | [−] Γ opt [ ◦ ] NF min [dB] Rn/50 [Ω]4 0.35 96 0.55 0.086 0.23 165 0.75 0.068 0.27 -145 0.92 0.0810 0.35 -85 1.37 0.23Tab. 6.1: Šumové parametry tranzistoru EPA060B-70 pro vybrané frekvence, katalogováhodnota. U ds = 5 V, I ds = 50 mAMěřící sestava podle obr 6.4 byla použita pro změření šumových parametrů. Pro měřenítranzistoru bylo nutné použít vhodný držák. Použitý držák umožňuje přechod z koaxiálníhovedení na mikropáskovou strukturu viz obr. 6.8. Pro napájení tranzistoru byly na obě bránydržáku připojeny napájecí (DC) bloky. Měřený tranzistor bylo nutné pro měření přilepitvodivým lepidlem na měřící mikropáskový substrát. Použitý substrát byl Cuclad 233, h =0.5 mm, přičemž tranzistor byl připojen tak, aby byl střed pouzdra tranzistoru přesně v rovině3-3’.MT1020CΓ sΓ ′ s10 dBHP345BΓ DC DUT DCENR1 − 1 ′ 2 − 2 ′ U gs 3 − 3 ′ENR ′U dsHP8970AObr. 6.4: Schéma měřící sestavy pro měření šumových parametrůV této rovině bylo také nutné měřit šumové parametry. K tomu je zapotřebí znát hodnotuodrazu v rovině uprostřed tranzistoru, tj. v rovině 3-3’. To znamená změřit hodnoty odrazů49

Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70nastavených na tuneru v rovině 3-3’ pomocí vektorového analyzátoru. Pro co možná nejpřesnějšíurčení odrazu v této rovině byl tuner zkalibrován v přesném zapojení, jaké bylo potépoužito pro měření šumových parametrů. Na vstupní bránu tuneru byl připojen zdroj šumu,na výstup tuneru napájecí blok a měřící držák viz obr. 6.6 a 6.7. Pomocí obslužného softwarek tuneru byl řízen VNA a tuner a systém samočinně zkalibroval tuner. Získaný kalibračnísoubor obsahuje asi 200 hodnot odrazů změřených v rovině 3-3’.a Průchozí pásek pro kalibracib Měřící pásek s nalepeným tranzistoremObr. 6.5: Substrát Cuclad 233 pro měření v měřícím držákuAby bylo možné měřit pomocí VNA odrazy v rovině 3-3’, bylo třeba zkalibrovat VNA dotéto roviny metodou OSML.Hodnota ENR, která je definována v rovině 1-1’ je ale v rovině 3-3’ vlivem útlumu trasyodlišná. Pro přesné měření musel být změřen útlum trasy od roviny 1-1’ po rovinu 3-3’ aObr. 6.6: Kalibrace tuneru včetně trasy s DC blokem a měřícím držákem50

Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70hodnota útlumu odečtena od hodnoty ENR použitého zdroje šumu.Hodnoty ENR’ a Γ ′ s jsou definovány v rovině 3-3’ a byly použity pro měření. Předsamotným měřením bylo nutné provést kalibraci měřícího systému, tj. změřit hodnotu F rec .Vložením substrátu s propojovacím páskem do měřícího držáku se změřil šumový činitel trasybez vloženého tranzistoru. Pro samotné měření se vložil substrát s tranzistorem. Stejnosměrnýpracovní bod byl nastaven na U ds = 5 V a I ds = 50 mA.Γ sΓ ′ sHP345B10 dBΓDCDUTVNAENRENR ′Obr. 6.7: Kalibrace tuneru pro měření šumových parametrů tranzistoru v držákuV diagramu na obr. 6.10 jsou znázorněny měřící hodnoty odrazů, které byly v průběhuměření nastaveny na tuneru. Šestice modrých bodů, byla nastavena při prvním cyklu měření.Po vyhodnocení Y opt resp. Γ opt bylo vybráno dalších šest bodů nejblíže vypočtenému Y opt .Černý bod představuje vypočítané Y opt ze souboru všech naměřených dat. Zelený bod pakpředstavuje katalogovou hodnotu.̸ Frekvence [GHz] |Γ opt | Γ opt [ ◦ ] NF min [dB] Rn/50 [−]4 0.18 87.2 0.99 0.316 0.16 152.3 1.19 0.198 0.13 150.4 1.15 0.5610 0.20 74.2 1.15 6.68Tab. 6.2: Změřené šumové parametryZměřené hodnoty jsou v tabulce 6.2. Změřené hodnoty pro 4 GHz a 6 GHz korespondujís katalogovou hodnotou. Vyšší kmitočty se značně liší ve fázi. Katalogový list výrobce uvádípouze stejnosměrný pracovní bod, ale žádné jiné podrobnosti o tom, jak byl tranzistor změřen.51

Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70Obr. 6.8: Pohled na měřící držák s průchozím páskem pro kalibraciObr. 6.9: Pohled na měřící sestavu52

Měření šumových parametrů tranzistoru EPA060B-70Obr. 6.10: Hodnoty odrazu nastavené tunerem a body optimálního šumového přizpůsobenípro frekvenci 6 GHz53

Kapitola 7ZávěrCílem této práce bylo navrhnout měřící systém pro měření šumového čísla a šumovýchparametrů a vytvořit ovládací programové vybavení.Navržený měřící systém je schopen měřit šumové číslo v rozsahu 10 MHz÷15 GHz, přičemžhorní mez je limitována dostupným směšovačem. Vytvořený ovládací software implementujeY metodu měření šumového čísla a umožňuje samočinné měření, zobrazení změřených data export do souboru. Přesnost použité metody roste se ziskem a šumovým číslem měřenéhodvoubranu. Měření šumového čísla je skalární měření a nepřizpůsobení jednotlivých prvků sestavymá značný vliv na zmíněnou přesnost. Funkčnost měřícího systému byla ověřena měřenímznámé hodnoty atenuátoru a také měřením různých zesilovačů a porovnáním katalogovýchhodnot.Měření šumových parametrů je založeno na měření šumového čísla (činitele). Z toho vyplýváže je měření šumových parametrů zatíženo stejnými problémy jako použitá Y metodapro měření šumového čísla. Při měření šumových parametrů nastává problém s vyhodnocenímsady naměřených dat. Použitá Laneho metoda nedává zcela přesné výsledky pokud jsou zvolenébody odrazu daleko od optima Γ opt . Jistou kompenzaci nabízí modifikovaná Lanehometoda, která dává vyšší váhu měřením, která mají nižší šumové číslo než ostatní a jsou tedyblíže optimu Γ opt . Verifikace měření byla provedena pouze měřením tranzistoru a naměřenéhodnoty se jen částečně shodovaly s katalogovou hodnotou. Pro řádnou verifikaci měření bybylo zapotřebí měřit opět pasivní dvoubran, stejně jako v případě verifikace měření šumovéhočísla.Některé algoritmy a postupy pro měření šumových parametrů nejsou ideální a pro dalšípokračování by bylo zapotřebí zabývat se některými z následujících problémů:• Verifikace měření šumových parametrů. Verifikace by mohla být provedena měřenímrůzných jednoduchých odporových článků (PI nebo T) realizovaných na mikropáskovéstruktuře. Tyto pasivní odporové dvoubrany by měly být záměrně realizovány pro jinéimpedance než 50 Ω tak aby vznikla sada dvoubranů s různým Γ opt .• Zpřesnění Y metody. Měření šumových parametrů je zaleženo na měření šumového čísla(činitele), přičemž pro výpočet pomocí aproximace je nutné měření alespoň ve 4 bodech.54

Malé odchylky jednotlivých měření mohou způsobit velkou odchylku při výslednémurčení šumových parametrů.• Použítí lepších algoritmů, které slouží pro výběr odrazů Γ s . Současný algoritmus nejpvevybere N bodů z nichž určuje výpočtem optimum Γ opt . Pokud je však první N-tice bodůvzdálená od bodu optima Γ opt , dopouští se aproximace chyby. V druhém kroku, který byměl měřením další N-tice bodů poblíž vypočteného optima zpřesnit sadu dat, však dojdeke zvětšení chyby právě špatným určením bodu Γ opt z prvního měření. Orienační hledáníbodu Γ opt by mohlo být v prvním kroku iterační bez použití jakékoliv aproximace, kteráby mohla do tohoto určení vnést chybu.55

Literatura[1] BRYANT, Geoff. Principles of Microwave Measurements. 1993. ISBN 0863412963.[2] Noise Figure Measurement Accuracy – The Y-Factor Method : Agilent Application Note57-2. 2004.[3] Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements : Agilent ApplicationNote 57-1. 2006.[4] 10 Hints for Making Succesful Noise Figure Measurements: Agilent Application Note 57-3.2009.[5] CAROLINE, Collins, et al. A new method for determination of single sideband noisefigure. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions. 1994, vol. 42, is. 12, s.2435-2439.[6] SOKOL, Vratislav, HOFFMANN, Karel, VAJTR, Jiří. Noise figure measurement of highlymismatched DUT. Radioengineering 2003, vol. 12, is. 3, s. 12-15.[7] HOFFMANN, Karel, HUDEC, Přemysl, SOKOL, Vratislav. Aktivní mikrovlnné obvody.2004.[8] COLLANTES, Juan-Mari, POLLARD, Roger, SAYED, Mohamed. Effects of DUT Mismatchon the Noise Figure Characterization : A Comparative Analysis of Two Y-FactorTechniques. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions. 2002, vol 51, no. 6,s. 1150-1156[9] LANE, Richard. The determination of Device noise parameters. Proceedings of the IEEE.1969, vol. 57, Issue 8, s. 1461-1462 .[10] ESCOTTE, Laurent; PLANA, Robert; GRAFFEUIL, Jacques. Evaluation of noise parameterextraction methods. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions.1993, 41, s. 382-387. ISSN 0018-9480.56

Příloha ANávod k použití obslužnéhosoftwareA.1 Konfigurace a nastavení přístrojůVolba a nastavení použitých přístrojů se provádí pomocí konfiguračního souboru config,který je umístěný ve stejném adresáři jako obslužný program. Pomocí konfiguračního souboruse nastavují GPIB adresy přístrojů, typ tunerů, implicitní cesty ke kalibračním souborům.V následující tabulce je souhrn použitých voleb konfiguračního souboru a jejich popis.Volba popisENR Cesta k souboru s hodnotami ENRTUN Cesta ke kalibračnímu souboru pro tunerTUNLIB Cesta ke knihovně MLibTuners.dllTUNNME Typ použitého tuneruTUNSER Sériové číslo použitého tuneruTUNNO Pořadové číslo použitého tuneruTUNPRT Port kontroléru na něž je tuner připojenTUNDUT Brána tuneru, na níž je nastavován odraz S 11 = 0, S 22 = 3CNTLIB Cesta k ovládacímu programu kontroléruCNTNME Typ použitého kontroléruCNTSER Sériové číslo kontroléruGEN Použitý generátor (1-HP, 2-Agilent)GENBID GPIB adresa generátoruNFM Použitý typ měřiče šumového čísla (1 = HP8970A)NFMBID GPIB adresa měřiče šumového číslaTab. A.1: Volby konfiguračního souboru pro obslužný softwareZnak # představuje komentář, řádka začínající tímto znakem není zpracována. Ukázkasyntaxe konfiguračního souboru:# Konfiguracni souborTUNNME = ’MT983A01’TUNSER = ’1078’57

Ovládání řídícího programuA.2 Ovládání řídícího programuA.2.1Volba frekvencíV hlavním okně se nastavuje rozsah měřených frekvencí. Pomocí číselných vstupů označenýchjako Start, Stop a Step lze tlačítkem Add sweep vložit list frekvencí na kterých semá měřit. Rozsahů je možné vložit několik. Jednotlivé frekvenční body lze odebírat tlačítkemDelete. Celý list se smaže tlačítkem Delete all.Obr. A.1: Hlavní okno řídícího programuPříklad:Je zadáno měření v rozsahu 100 ÷ 300 MHz s krokem 50 MHz a v rozsahu 200 ÷ 225 MHzs krokem 5 MHz.Výběrem hodnot Start, Stop a Step jako 100, 300 a 50 a stisknutím Add sweep a potévýběrem hodnot 200, 225 a 5 a opětovným stiskem tlačítka Add sweep dojde k vytvoření listužádaných frekvencí. viz obr. A.1A.2.2Načtení hodnoty ENRStandardně se po spuštění programu načítá soubor s hodnotami ENR, který je definovanýv konfiguračním souboru řídícího programu. Název souboru s hodnotami ENR je uvedenv textovém poli ve spodní části okna. Je-li potřeba změnit hodnotu ENR, tlačítkem Load...vedle textového pole dojde k vyvolání nabídky pro načtení jiného souboru s hodnotami ENR.58

Ovládání řídícího programuA.2.3Měření šumového číslaOkno s ovládacími prvky pro měření šumového čísla viz obr. A.2 se vyvolá z menu nabídkyMeasurement -> Noise figure. V menu Measurement mode je nabídka režimů měření. NFMonly je režim měření, kdy je šumové číslo měřeno v pásmu 10 − 1500 MHz přímo měřičemšumového čísla. DSB je režim měření se směšovačem. V tomto režimu jsou v ovládacím okněnavíc k dispozici vstupy Output power a IF Freq, kterými lze nastavit výstupní výkon na generátorua mezifrekvenci, na kterou je nalazen měřič šumového čísla. Smooth je počet opakovanýchměření ke zprůměrování a Temperature je hodnota, která se při výpočtech považujeza hodnotu T cold čili teplotu prostředí.Obr. A.2: Okno s nastavením pro měření šumového číslaPo nastavení parametrů měření je možné přistoupit ke kalibraci trasy. Zapojením měřícítrasy a stiskem tlačítka Calibrate se spustí kalibrace a její průběh znázorňuje poloha modréhopruhu ve spodní části okna.Obr. A.3: Okno s nastavením pro měření šumového číslaPo provedené kalibraci je možné měření. Sestavením měřící trasy včetně měřeného dvoubranua stiskem tlačítka Meas se spustí měření. Průběh je opět znázorňován modrým ukazatelemve spodní části okna. Po skončení měření je možné uložit změřená data do souboru a zobrazitprůběh v grafu viz A.459

Ovládání řídícího programuObr. A.4: Vynesený průběh změřeného šumového číslaV okně grafu je možné nastavit meze osy Y pro potřeby detailního zobrazení nějaké oblastigrafu.Při ukládání dat do souboru se uloží výsledné naměřené a vypočtené hodnoty, ale takéhodnoty kalibrace a měření ze kterého se šumové číslo vypočítává. Formát uložených dat jenásledující:# DUT#FREQ[Hz], NF[dB], GA_INS[dB]100000000.000000, 4.177254, 12.120892150000000.000000, 3.951882, 12.450063200000000.000000, 3.849093, 12.595398250000000.000000, 3.911973, 12.730405300000000.000000, 3.930708, 12.761464# calibration#FREQ[Hz], F_REC[-], HOT_REC[-], COLD_REC[-], ENR[-],#100000000.000000, 3.927838, 0.136713, 0.073075, 3.435579#150000000.000000, 3.939385, 0.138644, 0.074288, 3.427678#200000000.000000, 3.913041, 0.144431, 0.077231, 3.419794#250000000.000000, 4.162167, 0.127350, 0.070113, 3.411929#300000000.000000, 4.191785, 0.128569, 0.071081, 3.404082# measurement#FREQ[Hz], F_SYS[-], HOT_SYS[-], COLD_SYS[-], ENR[-],#100000000.000000, 2.796191, 1.886312, 0.849256, 3.435579#150000000.000000, 2.651415, 2.012175, 0.880825, 3.427678#200000000.000000, 2.586357, 2.151544, 0.930000, 3.419794#250000000.000000, 2.630119, 1.906088, 0.832788, 3.411929#300000000.000000, 2.641127, 1.933606, 0.847881, 3.40408260

Ovládání řídícího programuA.2.4Kontrola stabilityPro ověření stability měření je možné z menu Tools->Stability check vyvolat okno s grafempro kontrolu stability. Po spuštění testu tlačítkem start se spustí nekonečná smyčka opakujícíměření šumového činitele a do grafu jsou vynášeny odchylky mezi současnou a předchozíhodnotou. Díky této kontrole je možné vysledovat rušení a jiné problémy v měřící trase.Obr. A.5: Okno pro kontrolu stability a graf odchylek měřeníA.2.5Měření šumových parametrůOkno pro měření šumových parametrů se vyvolá z hlavní menu nabídky Measurement->Noise parameters. Před tím musí být připojený a zinicializovaný tuner. Připojení se provedepřes menu Settings -> Attach tuner a inicializace Settings -> Init tuner.V okně s nastavením pro měření šumových parametrů (viz obr. A.6) jsou stejné volby jakov případě DSB měření. Navíc je zde vstup pro nastavení počtu bodů v prvním a druhém cykluměření, maximální absolutní hodnota odrazu který může být vybrán v prvním kroku a výběraproimace pomocí Laneho nebo modifikované Laneho metody. Stejně jako v případě měřeníšumového čísla, je nejprve nutná kalibrace. Poté může být přistoupeno k samotnému měření.Soubor s uloženými daty z měření šumových parametrů obsahuje samotné změřené šumovéparametry, ale také hodnoty z kalibrace a zejména hodnoty jednotlivých měření včetně hodnotodrazů, díky čemuž je možné sadu naměřených dat vyhodnotit i jinak než použitou Lanehonebo modifikovanou Laneho metodou.61

Ovládání řídícího programu# NOISE PARAMETERS#FREQ[Hz], F_min[-], R_n [Ohm], real(Y_OPT), imag(Y_OPT)4000000000.000000, 1.078984, 9.974785, 0.019044, -0.007138# CALIB#FREQ[Hz], F[-], HOT[-], COLD[-], ENR[dB], S21[db]#4000000000.000000, 6.232597, 0.127120, 0.092260, 3.719830, -87.447275# MEAS#FREQ[Hz], F_DUT[-], F_SYS[-], HOT_SYS[-], COLD_SYS[-], ENR_DB[db], S12[db], Y_source_RE[-], Y_source_IM[-]#4000000000.000000, 1.218593, 1.425914, 1.412572, 0.532736, 3.719830, -69.385475, 0.040729, 0.000147#4000000000.000000, 1.285852, 1.736265, 0.703564, 0.298584, 3.719830, -96.989700, 0.010350, 0.004329#4000000000.000000, 1.170440, 1.540026, 0.816304, 0.322756, 3.719830, -79.030900, 0.010001, -0.002171#4000000000.000000, 1.095365, 1.269795, 1.609604, 0.563864, 3.719830, -74.236586, 0.021214, -0.014822#4000000000.000000, 1.093448, 1.330984, 1.201936, 0.434016, 3.719830, -87.447275, 0.019203, -0.002385#4000000000.000000, 1.095911, 1.327262, 1.232820, 0.444372, 3.719830, -81.307683, 0.020695, -0.001928#4000000000.000000, 1.079333, 1.307520, 1.243212, 0.443832, 3.719830, -77.328283, 0.017915, -0.005209#4000000000.000000, 1.081376, 1.288360, 1.363396, 0.482128, 3.719830, -87.447275, 0.021646, -0.005933Obr. A.6: Okno pro nastavení měření šumových parametrů62

Příloha BDokumentace zdrojového kóduB.1 Souhrn zdrojových souborůNázev souboruComplex.cgen_control.cgraph.cmeas.cmeas_params.cNFigure.cnfm_control.cNparam.crf_math.csys_utils.cTuner.ctuner_control.cPopis a obsah souboruFunkce pro práci s datovým typem dcomplexFunkce pro řízení generátoruFunkce pro vykreslování grafůFunkce pro měření, kalibraci, události tlačítek z okna pro měření šumovéhočíslaFunkce pro měření šumových parametrů, události tlačítek z okna proměření šumových parametrůFunkce pro práci s datovým typem dnfigureFunkce pro práci s měřičem šumového číslaFunkce pro práci s datovým typem dnparam. Implementovaná LanehometodaMatematické funkce, převody S-parametrů na impedance a naopak. Implementovanévýpočty pro Y metodu. AproximaceFunkce pro ukládání, načítání ze souboru.Funkce pro práci s datovým typem dtuner. Funkce pro hledání a výběrimpedančních bodůFunkce pro ovládání tuneruTab. B.1: Popis zdrojových souborůNásledující dokumentace popisuje pouze funkce zdrojových souborů pro ovládání přístrojů.Popis ostatních funkcí je v komentářích přímo ve zdrojových souborech. Tabulka B.1 popisuje,které funkce obsahují jednotlivé zdrojové soubory.63

nfm_control.cB.2 nfm_control.cZdrojový soubor nfm_control.c zprostředkovává komunikaci řídícího software s měřičemšumového čísla.int deviceint smoothhandler GPIB zařízení, který byl přiřazen přístroji při inicializacipočet měření, která se budou průměrovatTab. B.2: Vybrané proměnné zdrojového souboru nfm_control.cnfm_get_hot_coldint nfm_get_hot_cold(int device,double *hot,double *cold,double *freq,int smooth)Funkce nejprve nastaví přístroj pro měření ve stavu hot , přečte změřenou hodnotu, totéžopakuje pro stav cold . Výstupem funkce jsou tři hodnoty, výkon ve stavu hot , cold a frekvencena níž byl měřič šumového čísla nastaven.nfm_get_hot_cold_arraynfm_get_hot_cold_arrayFunkce slouží ke stejnému účelu jako předchozí funkce nfm_get_hot_cold s tím rozdílem,že tato funkce získá pole hodnot hot a coldB.2.1nfm_initFunkce specifické pro řízení přístroje HP8970Aint nfm_init(int device, double start_freq, double stop_freq,double step_freq,int *steps)Funkce nastavuje frekvence pro přístroj HP8970A.nfm_set_RF_attnint nfm_set_RF_attn(int device, int attn)Funkce nastaví RF atenuátor HP8970Aint attn0 Auto1 +20 dB2 +10 dB3 0 dB4 −10 dB5 −20 dB6 −30 dBTab. B.3: Hodnoty proměnné, která nastavuje RF atenuátor přístroje HP8970A64

nfm_control.cnfm_set_IF_attnint nfm_set_IF_attn(int device, int attn)Funkce nastavuje IF atenuátor HP8970Aint attn0 Auto1 0 dB2 5 dB3 10 dB4 15 dB5 20 dB6 30 dB7 35 dBTab. B.4: Hodnoty proměnné, která nastavuje IF atenuátor přístroje HP8970Anfm_set_freqint nfm_set_freq(int device, double freq)Funkce nastavuje frekvenci měřenínfm_set_sqrint nfm_set_sqr(int device)Funkce nastavuje příznak SQR, HP8970A odesílá naměřená data okamžitě po tom coskončí měření a hodnota je označená jako platná.nfm_set_Y_modeint nfm_set_Y_mode(int device)Funkce nastavuje přístroj HP8970A do režimu měření Y poměru.nfm_set_HOT_modeint nfm_set_HOT_mode(int device)Funkce nastavuje přístroj HP8970A do režimu měření výkonu v hot stavu.nfm_set_COLD_modeint nfm_set_COLD_mode(int device)Funkce nastavuje přístroj HP8970A do režimu měření výkonu v cold stavu.nfm_run_SSWEEPint nfm_run_SSWEEP(int device)Funkce spustí single sweep. Přístroj HP8970A projde nastaveným krokem nastavené frekvenčnípásmo a po jednom průchodu zastaví měření65

nfm_control.cnfm_run_ASWEEPint nfm_run_ASWEEP(int device)Funkce spusti automatic sweep. Přístroj opakovaně měří v nastaveném pásmu.nfm_stop_SWEEPint nfm_stop_SWEEP(int device)Funkce zastaví sweepnfm_set_DISPLAY_modeint nfm_set_DISPLAY_mode(int device)Funkce nastavuje formát dat, které zobrazuje HP8970Anfm_set_SMOOTHint nfm_set_SMOOTH(int device, int factor)Funkce nastaví počet měření, které se průměrují.nfm_step_upint nfm_step_up(int device)Funkce vynutí zvýšení nastavené frekvence o zvolený krok.nfm_step_downint nfm_step_down(int device)Funkce vynutí snížení nastavené frekvence o zvolený krok.nfm_get_data_bufferint nfm_get_data_buffer(int device, char read_buffer[], const int buffer_length)B.2.2Pomocné funkcenfm_get_8970_dataint nfm_get_8970_data (int device,double *data, double *freq)nfm_data_parserint nfm_data_parser(char read_buffer[],const int buffer_length,double *first, double *second, double *third)66

gen_control.cB.3 gen_control.cZdrojový soubor gen_control.c poskytuje základní funkce pro nastavení generátoru. Protožev celém měřícím systému je generátor použit jen v režimu CW bez jakékoli modulace čijiných funkcí, poskytuje zdrojový soubor tyto funkce:• Inicializace, reset nastavení• Nastavení kmitočtu generátoru• Nastavení výkonové úrovně na výstupu• Vypnutí/zapnutí signálu na výstupu• Vypnutí/zapnutí modulaceZdrojový soubor poskytuje řídící příkazy pro následující typy generátorů/syntezátorů• HP 8350B• Agilent E8257Dint devicedouble freqdouble power_dBhandler GPIB zařízení, který byl přiřazen přístroji při inicializacikmitočet v Hzúroveň výstupního signálu v dBTab. B.5: Vybrané proměnné zdrojového souboru gen_control.cgen_set_freqint gen_set_freq(int device, double freq)Funkce nastaví generátoru zvolenou frekvenci.gen_set_powerint gen_set_power(int device, double power_dB)Funkce nastaví generátoru zvolenou úroveň výstupního výkonu.gen_set_RF_onint gen_set_RF_on(int device)Funkce zapne signál na výstup generátoru.gen_set_RF_offint gen_set_RF_off(int device)Funkce vypne výstup generátoru.67

gen_control.cgen_set_MOD_onint gen_set_MOD_on(int device)Funkce zapne modulaci výstupního signálu.gen_set_MOD_offint gen_set_MOD_off(int device)Funkce vypne modulaci výstupního signálu.gen_set_stepint gen_set_step(int device, double step_freq)Funkce nastaví frekvenční krok.gen_step_upint gen_step_up(int device)Funkce zvýší frekvenci generátoru o zvolený krok.gen_step_downint gen_step_down(int device)Funkce sníží frekvenci generátoru o zvolený krok.get_gen_local_freqdouble get_gen_local_freq(int device)Funkce vrací hodnotu kmitočtu, který je nastaven na generátoru68

tuner_control.cB.4 tuner_control.cZdrojový soubor tuner_control.c poskytuje funkce pro práci s elektronicky řízeným tunerem.K produktům Maury je dodávána dynamická knihovna, která zprostředkovává komunikacis kontrolérem. Soubor tuner_control.c poskytuje volací funkce pro externí knihovnu.• Inicializace kontroléru, nastavení tuneru• Načtení kalibračního souboru tuneru• Řízení motorů podle absolutních poziclong *act_carrlong *act_p1long *act_p2HINSTANCE hand_tunlibukazatel na hodnotu aktuální absolutní pozice motoru carrierukazatel na hodnotu aktuální absolutní pozice motoruprobe1ukazatel na hodnotu aktuální absolutní pozice motoruprobe2handler načtené knihovny pro volání jejích funkcíTab. B.6: Vybrané proměnné zdrojového souboru tuner_control.ctun_init_dllshort tun_init_dll(void)Funkce načte knihovnu pro ovládání tuneru, přiřadí jí handler a přiřadí funkcím knihovnyukazatele.tun_free_dllshort tun_free_dll(void)Funkce uvolní prostředky spojené s načtenou knihovnou.tun_free_allshort tun_free_all(void)Funkce uvolní všechny alokované ukazatele a prostředky.tun_tuner_initshort tun_tuner_init(void)Funkce inicializuje tuner. Všechny motory tuneru se postupně nastaví do svých krajních poloh.69

tuner_control.ctun_controller_initint tun_controller_init(void)Inicializace kontroléru.tun_read_datint tun_read_dat(char *filename, int tuner_num, char *tuner_name, dtuner *tuner)Načtení kalibračního souboru tuneru a jeho převod načtených dat do datového typu dtuner.tun_move_motorsshort tun_move_motors(int tuner_number, long carr, long p1, long p2)Změna poloh motorů. Funkce se používá pro nastavovaní hodnot odrazů. Hodnoty polohmotorů jsou hodnotám odrazů přiřazeny v kalibračním souboru.tuner_thread_init_tunersint tuner_thread_init_tuners(void *functionData)Všechny operace s knihovnou pro ovládání tunerů musí být volány z vláken. Proto i prvotníinicializace musí být volána z vlákna. Tato funkce je volána jako vlákno pro inicializaci tuneru.tuner_thread_init_controllerint tuner_thread_init_controller(void *functionData)Vlákno pro inicializaci kontroléru.tuner_thread_read_dataint tuner_thread_read_data(void *functionData)Vlákno pro načtení hodnot z kalibračního souboru.70