DE3627608A1 - Messvorrichtung fuer mikrowellen-rauschen - Google Patents
Messvorrichtung fuer mikrowellen-rauschenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Messen des Rauschens
von Mikrowellen, insbesondere zum Messen des Phasen-Rauschanteils
einer Mikrowellen-Signalquelle.
Alle Mikrowellen-Signalquellen erzeugen ein unerwünschtes Phasenrauschen,
das ist ein Rauschen in der Form von willkürlichen Frequenzveränderungen
um die Ausgangsfrequenz der Signalquelle. Obwohl die Stärke des Phasen
rauschens eines Signales klein sein mag, erhält sie Bedeutung beispiels
weise bei Radarsystemen mit Doppler-Frequenz. Dies rührt daher, daß das
Radar-Echo, das an einen Doppler-Radarempfänger gelegt wird, sehr klein
sein kann und in der Form einer kleinen Änderung der Frequenz gegenüber
derjenigen des ausgesendeten Radarsignales vorliegt. Das Phasenrauschen
kann daher zu irrtümlichen Bewertungen der Dopplersignale oder zu ihrer
völligen Abdeckung führen.
Um den Phasenrauschanteil im Ausgang eines Mikrowellen-Signales zu reduzieren
oder zu steuern, ist es zunächst notwendig, das Phasenrauschen zu messen.
Verschiedene Methoden sind hierfür bekannt, diese haben jedoch Nachteile,
welche ihren Gebrauch und ihre Genauigkeit beeinträchtigen. Die beschriebenen
Methoden beziehen sich auf Einzelfrequenz-Mikrowellen der Art, die nur über
einige wenige Zehn Megahertz abstimmbar sind.
Eine Technik besteht in einer Quer-Korrelation zwischen zwei Mikrowellen-
Quellen, von denen die eine die zu prüfende und die andere eine Bezugsquelle
ist. Das Hauptproblem hierbei ist die Schwierigkeit, eine Bezugsquelle zu
erhalten, die wesentlich besser arbeitet als die zu untersuchende Quelle.
Solche Quellen stehen in der Regel jedoch nicht zur Verfügung, weshalb diese
Technik nicht angewendet wird.
Andere Methoden verwenden nur die zu prüfende Mikrowellen-Quelle. Es wird eine
Verzögerungsleitung verwendet, an die der Ausgang der Quelle gelegt wird und
ein Phasendetektor vergleicht den Ausgang der Verzögerungsleitung mit dem Aus
gang der Quelle, der 90° außer Phase mit diesem ist. Die Verzögerungsleitung
formt Frequenzschwankungen in Phasenschwankungen um und der Phasendetektor
wandelt diese an seinem Ausgang in Spannungsschwankungen um. Dieses System
hat jedoch eine geringe Empfindlichkeit infolge des begrenzten Umfangs der
Eingangsleistung, die an das System angelegt werden kann.
Eine andere Methode, die dieses Problem vermeidet, benutzt einen abstimmbaren
Hohlraum-Resonator, um anstelle der Verzögerungsleitung eine Verzögerung zu
erzeugen. Der Hohlraum wird auf die Frequenz der Signalquelle abgestimmt und
er unterdrückt die Frequenz der Quelle während die Signale der Rauschfrequenz
beibehalten werden. Dies erlaubt es, eine höhere Energie an das Meßsystem an
zulegen, wodurch die Empfindlichkeit gesteigert wird. Die bei dieser Methode
entstehenden Probleme liegen in der Verwendung eines abstimmbaren Resonanz-
Hohlraumes. Zunächst muß der Hohlraum für jede Quellenfrequenz rückgestellt
werden und dies erfordert viel Zeit. Außerdem ist die Resonanzfrequenz des
Hohlraumes sehr empfindlich gegenüber mechanischen Schwingungen. Schließlich
müssen alle anderen Komponenten des Meßsystems große Bandbreiten haben, um
den Abstimmbereich des Systems zu überdecken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen
des Phasenrausch-Anteils im Ausgang eines Mikrowellen-Signals zu schaffen,
wobei nur eine einzige Mikrowellen-Quelle erforderlich ist und die obenge
nannten Nachteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Vorrichtung zum Messen des Phasenrausch-Anteils
im Ausgang eines Mikrowellen-Signals vorgesehen, die einen Mikrowellen-Resonanz-
Hohlraum mit einer festen Frequenz hat, die von derjenigen der Mikrowellen
quelle um 1% bis 10% der Hohlraum-Resonanzfrequenz differiert, einem Signal
erzeuger zur Erzeugung eines Signales, welches die Differenz zwischen der
Frequenz, die von der Mikrowellen-Signalquelle erzeugt wird und der Resonanz
frequenz des Hohlraumes darstellt, einer Misch-Stufe zur Zusammenfassung der
Ausgänge der Mikrowellen-Signalquelle und des Signalerzeugers, um ein Signal
zu schaffen, das eine Frequenz hat gleich der Resonanzfrequenz des Hohlraums
zum Anlegen an diesen, einem Phasendetektor, der auf einen Ausgang des Hohlraums
und auf einen Ausgang der Mischstufe anspricht, der hierzu um 90° phasenver
schoben ist, um ein Signal zu erzeugen, welches den Phasenrausch-Anteil im Aus
gang der Mikrowellen-Signalquelle darstellt.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 in Form eines Blockdiagramms eine bekannte Vorrichtung zeigt, die
einen abstimmbaren Resonanzhohlraum verwendet.
Fig. 2 zeigt in Form eines Blockdiagramms eine erste Ausführungsform der
Erfindung und
Fig. 3 zeigt eine Modifikation der Vorrichtung nach Fig. 2.
Fig. 1 zeigt ein bekanntes System zum Messen des Phasenrauschens mit einer
Signalquelle 10, die ein Signal über einen Verstärker 11 mit niedrigem
Rauschanteil, eine 10 dB-Koppelstufe 12 und einen Zirkulator 13 an einen
abstimmbaren Resonanzhohlraum 14 legt. Ein Ausgang vom Hohlraum 14 wird
über den Zirkulator 13 an einen Phasendetektor 15 gelegt. Das an die
Koppelstufe 12 angelegte Signal wird ebenfalls über einen Phasenschieber 16
an den Phasendetektor 15 gelegt, wobei der Phasenschieber so ausgebildet
ist, daß sein Ausgang um 90° außer Phase mit dem Ausgang des Resonanz
hohlraumes liegt. Der Ausgang des Phasendetektors 15 ist der Ausgang des
Phasenrausch-Meßsystems und kann beispielsweise an einen Spektralanalysator 17
gelegt werden. Der Analysator eignet sich besonders, wenn die zu untersuchende
Signalquelle mittels eines Niederfrequenz-Oszillators 18 frequenzmoduliert
ist.
Im Betrieb muß der Resonanzhohlraum 14 auf die Frequenz der zu untersuchenden
Signalquelle abgestimmt werden. Der Effekt des abgestimmten Hohlraums 14,
soweit Signale innerhalb der Hohlraum-Bandbreite betroffen sind, besteht
darin, irgendwelche Frequenzschwankungen in Phasenschwankungen umzuformen.
Der Phasendetektor 15 wandelt diese in Spannungsschwankungen um, die an den
Spektralanalysator 17 gelegt werden. Irgendwelche Rauschsignale, die außer
halb der Hohlraum-Bandbreite liegen, werden in Amplituden-Modulationssignale
umgeformt.
Wie oben bereits erwähnt, liegt ein Hauptnachteil der vorbeschriebenen Anord
nung darin, daß der Hohlraum für jeden einzelnen Frequenzausgang von der zu
untersuchenden Signalquelle rückgestellt werden muß.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung. Abgesehen davon, daß
ein Resonanzhohlraum mit fester Frequenz benutzt wird, bleiben die Teile des
Systems hinter der Kopplungsstufe im wesentlichen unverändert. Schaltungs
elemente, die auch in Fig. 1 verwendet wurden, haben dieselben Bezugs
zeichen.
Gemäß Fig. 2 ist die zu untersuchende Signalquelle 10 über einen ausgeglichenen/
doppelt-ausgeglichenen Mischer 20 und ein Bandpaßfilter 21 an den Verstärker 11
und damit an die Kopplungsstufe 12 gelegt. Die Kopplungsstufe ist wie zuvor
mit dem Zirkulator 13 verbunden, der Resonanzhohlraum 22 ist jedoch auf eine
feste Frequenz abgestimmt. Der Phasendetektor 15 und der Phasenschieber 16
sind wie zuvor angeschlossen und ein Spektralanalysator 17 kann verwendet
werden, um den Ausgang des Phasendetektors 15 zu prüfen.
An den Mischer 20 wird ferner der Ausgang eines Zwischenfrequenz-Oszillators
23 gelegt. Dieser erzeugt eine Frequenz, die, wenn mit dem Ausgang der
Quelle 10 zusammengefaßt, ein Signal in der Resonanzfrequenz des Hohlraums 22
erzeugt. Die Frequenz des Oszillators 23 wird durch den Ausgang des Phasen
detektors 15 über einen Gleichspannungs-Verstärker 24 gesteuert. Der Ausgang
des Gleichspannungs-Verstärkers 24 wird an den Oszillator 23 über einen
Mischer 25 gelegt, an welchem der Ausgang eines Eich-Oszillators 18 gelegt
werden kann. Der Oszillator 23 ist von einem Typ, der mittels eines analogen
Signals genau abgestimmt werden kann.
Im Betrieb wird der Oszillator 23 auf eine Frequenz abgestimmt, welche eine
besondere Quellen-Frequenz in die Resonanz-Frequenz des abgestimmten Hohlraums
22 umsetzt. Das Bandpaßfilter 22 entfernt etwaige unerwünschte Signale, die
durch den Mischprozeß erzeugt werden, während der Verstärker 11 die Amplitude
des Signals auf das gewünschte Niveau anhebt.
Der Meßteil der Vorrichtung funktioniert in derselben Weise wie in der obigen
Ausführungsform. Ein Gleichspannungs-Signal, das vom Phasendetektor 15 er
zeugt wird, wird über den Verstärker 24 rückgeführt, um die Schwingungs
frequenz des Oszillators 23 zu steuern.
Jede Änderung der Frequenz des Augangs der Quelle 10 wird verarbeitet, indem
die Frequenz des Oszillators 23 verändert wird und die Probleme, die bei einem
abstimmbaren Resonanzhohlraum auftreten, werden damit vermieden.
Es besteht eine Grenze bezüglich wie nahe die Quellen-Frequenz der Resonanz-
Frequenz des Hohlraums angenähert werden kann. Dies rührt von der Tatsache
her, daß der Mischprozeß, der im Mischer 20 ausgeführt wird, Störsignale er
zeugt, die durch das Bandpaßfilter 21 entfernt werden müssen. Je mehr die
Quellenfrequenz sich der Hohlraum-Resonanzfrequenz annähert, umso enger
muß die Bandpaßbreite des Filters sein. Bei praktischen Filterausführungen
sollte die Resonanzfrequenz des Hohlraums von der von der Signalquelle er
zeugten Frequenz um wenigstens 1% der Resonanzfrequenz differieren. Bei
Betrieb im Röntgenstrahlen-Band bedeutet dies, daß die Quellenfrequenz nicht
näher als 50 MHz an die Hohlraum-Resonanzfrequenz herankommen soll. Wenn
andererseits die Differenz zwischen der Quellenfrequenz und der Hohlraum
resonanzfrequenz zu groß wird, so muß der Oszillator 23 vom selben Typ eines
Mikrowellen-Oszillators sein, wie die Quelle selbst. Deshalb, wiederum aus
praktischen Gründen, sollte die Quellenfrequenz von derjenigen des Hohlraums
nicht um mehr als etwa 10% der Hohlraum-Resonanzfrequenz differieren. Bei
Betrieb im Röntgenstrahlen-Band bedeutet dies, daß der Oszillator 23 einen
Abstimmbereich von etwa 50 MHz bis etwa 16 Hz hat.
Der Niederfrequenz-Oszillator 18 nach Fig. 2 kann verwendet werden, um dem
Ausgang des Oszillators 23 für Eich-Zwecke eine Modulationsfrequenz zu
überlagern.
Der Zwischenfrequenz-Oszillator 23 nach Fig. 2 wird in einer gleichspannungs
frequenzmodulierten Weise betrieben, was nicht zu den allerbesten Ergebnissen
bezüglich des Phasenrauschens führt.
Die Modifikation nach Fig. 3 verbessert das Phasenrauschen durch Verwendung
des Gleichspannungsausgangssignals des Phasendetektors zur Steuerung eines
niederfrequenten spannungsgesteuerten Kristall-Oszillators 30. Der Ausgang
dieses Oszillators wird mit dem Ausgang des Zwischenfrequenz-Oszillators 23
durch einen Mischer 31 gemischt. Das resultierende Signal wird durch einen
Verstärker 32 verstärkt und an den Mischer 20 gegeben, zur Mischung mit dem
Ausgang der Signalquelle 10. Die Ausgänge des niederfrequenten Oszillators 18
werden, wenn erforderlich, an den Mischer 25 gelegt.
Der Zwischenfrequenz-Oszillator 23 ist einstellbar und mit vernünftiger
Genauigkeit auf eine Frequenz nahe bei derjenigen der Signalquelle 10
abgestimmt. Der spannungsgesteuerte Kristall-Oszillator 30 hat einen Be
triebsbereich von z. B. 1-100 MHz für eine Signalquelle im Röntgen-Band
(X-Band) und er arbeitet in der gleichspannungs-frequenzmodulierten Weise.
Er arbeitet jedoch in einer niedrigeren Frequenz als der Oszillator 23
in der Ausführungsform nach Fig. 2 und damit wird das Phasenrauschen
verbessert. Der Zwischenfrequenz-Oszillator 23 arbeitet nunmehr mit
einer festen Frequenz, die so gewählt wird, daß ein Minimum an Phasen
rauschen erzeugt wird. Der Ausgang des Mischers 31 wird verstärkt,
um Verluste im Mischer zu kompensieren, und es wird der Verstärker 32
zu diesem Zweck verwendet. Der Ausgang dieses Verstärkers wird an den
Mischer 20 gelegt, um die Frequenz der Signalquelle 10 in diejenige des
Hohlraums 22 umzuwandeln.
Claims (5)
1. Meßvorrichtung zum Messen des Phasenrausch-Anteils im Ausgang einer
Mikrowellen-Signalquelle, gekennzeichnet durch einen Mikrowellen-
Resonanzhohlraum mit einer festen Frequenz, die von derjenigen der
Signalquelle um etwa 1% bis etwa 10% der Hohlraum-Resonanzfrequenz
differiert, einem Signalerzeuger zur Erzeugung eines Signales,
welches die Differenz zwischen der Frequenz, die von der Signal
quelle erzeugt wird und der Resonanzfrequenz des Hohlraums darstellt,
einem Mischer zum Zusammenfassen der Ausgänge der Mikrowellen-Signal
quelle und des Signalerzeugers, um ein Signal zu erzeugen, das eine
Frequenz hat gleich der Resonanzfrequenz des Hohlraums zum Anlegen
an diesen, und durch einen Phasendetektor, der auf einen Ausgang
von dem Resonanzhohlraum und auf einen Ausgang des Mischers, der
90° phasenverschoben hierzu ist, anspricht, um ein Signal zu er
zeugen, das den Phasenrausch-Anteil im Ausgang der Mikrowellen-
Signalquelle darstellt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal
erzeuger einen Oszillator mit variabler Frequenz umfaßt, dessen
Frequenz durch einen Ausgang vom Phasendetektor gesteuert wird, um
den Ausgang des Mischers auf der Resonanzfrequenz des Mikrowellen-
Hohlraums zu halten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal
erzeuger einen Oszillator mit fester Frequenz hat, ferner einen
spannungsgesteuerten Oszillator und einen zweiten Mischer zum Zu
sammenfassen der Ausgänge des Oszillators mit fester Frequenz und
des spannungsgesteuerten Oszillators, die gesteuert werden durch
einen Ausgang des Phasendetektors, um den Ausgang des Mischers auf
der Resonanzfrequenz des Mikrowellen-Hohlraums zu halten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ausgang des Phasendetektors an den spannungsgesteuerten Oszillator
gelegt wird über einen weiteren Mischer, an den der Ausgang eines
niederfrequenten Eich-Oszillators anlegbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch ein Bandpaßfilter, das zwischen dem Mischer und dem Mikro
wellen-Hohlraum sowie einem Phasenschieber geschaltet ist.
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