DE3627608A1 - Messvorrichtung fuer mikrowellen-rauschen - Google Patents

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.