Une source de bruit

Au cours de notre réunion de groupe de micro-onde de novembre 2000 San Diego nous avons tenu une session sur la mesure de figure de bruit. Pendant les résolutions de problèmes les semaines suivantes, il est devenu évident que d'autres personnes dans notre groupe pourraient faire une bonne utilisation d'une source de bruit calibrée. J'ai commencé à  rechercher une alternative pour remplacer ma source de bruit utilisée sur mon NFmètre Sanders et fait une recherche rapide d'articles sur la réalisation de sources de bruit 'maison',  étudié en particulier un article Paul Wade : "Noise: Measurement and Generation" qui est disponible sur son site web ainsi que dans le ARRL 2nd Microwave Projects Manual.

Dans son excellent article, Paul décrit ce qu'il a utilisé pour construire divers générateurs de bruit 'maison' qui ont inclus le démontage d'une source de bruit commerciale. Dès que j'ai terminé l'article, une idée m'a frappé concernant les problèmes pour obtenir les diodes et le circuit de haute qualité comme décrit dans l'article.

Mon idée était d'utiliser un morceau de circuit d'un mélangeur 14,5 GHz utilisé dans les premières unités de Qualcomm Omnitraks. Ce mélangeur n'est pas utile à  10 GHz et n'est pas modifiable mais contient deux diodes microwave très bonnes (jusqu'à  24Ghz) montées sur un circuit teflon de 15 mils.

Voici le circuit que j'ai décidé d'utiliser :

L'idée était de voir qu'à  quel point cette diode de mélangeur se comporterait comme source de bruit bande large une fois polarisée en inverse. Les images montrent la source terminée et le circuit d'origine .
J'ai utilisé le circuit de Paul dont l'anode de la diode est reliée directement à  l'atténuateur 20dB. La cathode est mise à  la masse RF et reçoit le courant par une résistance en  série.
En suivant l'article de Paul  j'ai constaté que pour la premier montage 1,2mA ont donné une sortie maximum à  10Ghz ainsi une résistance en série a été choisie (1.6K) pour fournir à  1,2 mA avec une alimentation 12v.

L'aspect le plus critique de la construction est probablement la mise à  la masse RF la plus courte possible pour la diode et le connecteur SMA. Le condensateur de 0,5 picofarads doit être de bonne qualité et est retiré d'une autre partie du mélangeur 14,5GHz. J'ai fait le logement aussi petit que possible pour empêcher des résonances indésirables et pour les faciliter également les mises à  la masse. La qualité de l'atténuateur de sortie a également une grande importance dans la planéité de la réponse en fréquence.

vue de rapprochée de la source assemblée.

La moitié du travail est effectuée, reste l'autre moitié qui consiste a la calibrer. L'approche que j'ai décidé d'utiliser pour l'étalonnage sur les bandes amateurs 145Mhz -10GHz était d'employer assez d'amplification large bande devant un analyseur de spectre (avec 1 dB/div) pour fournir un Y-Factor d'environ 3 dB une source ENR (environ 5 dB NF). Mon installation s'est composée de deux MMIC à  trois étages construits en retirant les FETs du circuit de surplus "GOLD Board" et en les remplaçant par des MGA-86576. J'ai constaté que travailler avec deux étages à  large bande et un gain considérable crée des produits d'intermodulation de bruit une fois utilisé sans les filtres entre les amplificateurs. Pour la bande 145MHz-3456 Mhz je pouvais utiliser un amplificateur sans filtre et ai contrôlé le gain en changeant la tension d'alimentation. Le gain a été augmenté  pour obtenir un Y-Factor d'au moins 3dB. Pour 5,7 et 10 GHz, un filtre a été inséré entre les deux amplificateurs et le gain de nouveau ajusté sur le minimum nécessaire.

Un objectif de 5dB ENR a été fixé comme cela devrait être utile pour la mesure de la plupart des préamplis dans les 1-10dB NF. On l'a constaté qu'un total de 23 dB d'atténuation a été nécessaire sur une source non-calibrée par rapport à  une source de bruit calibrée à  une fréquence arbitraire de 2304MHz. D'autres valeurs peuvent certainement être employées pour remplir les conditions sur le mesureur de NF utilisé. Mon expérience avec le NFmeter Sanders est qu'il est tout à  fait tatillon au sujet des niveaux et peut donner des lectures incorrectes. Pour cette raison je tends à  utiliser un analyseur de spectre ou un mesureur de puissance pour mesurer le Y-Factor et pour calculer la figure de bruit. Ce n'est pas très commode cependant en essayant de faire des réglages en marche mais permet la mesure de la plupart des amplificateurs et xverters.
 

J'ai produit un tableur Excel pour faciliter le calibrage à  partir d'une source connue. Le Y-Factor est enregistré pour une source calibrée (5 dB ENR) et l'unité non-calibrée à  chaque fréquence désirée. Les valeurs de Y-Factor avec l'Enr de la source calibrée ont été écrites dans la feuille qui a calculé l'Enr de l'unité non-calibrée. D'autres approches peuvent être utilisées comme un transverter avec les sources de bruit et mesurer le Y-facteur à  la FI ou à  la sortie audio du poste FI.

Les résultats des premières unités ont montré une variation de +/- 1,5 dB sur la plage 50Mhz à  10Ghz. Je crois qu'avec un peu plus de travail la sortie peut être rendue encore plus plate dans la plage.

Construction:

Il y a réellement deux diodes utilisables sur le panneau de mélangeur. Seulement une est monté pour être facilement polarisée en positif. L'autre peut être utilisé avec une alim négative ou peut être soigneusement retirée et ressoudée dans l'autre sens. Le point blanc (cathode) doit être relié coté alimentation en positif.

Retirez les condensateurs du circuit mélangeur avant la coupure avec des ciseaux . Les dimensions du circuit 0.4 x 0.67 (pouces)  ne sont pas trop critiques mais devraient être suivies pour maintenir les voies d'accès de rf très courtes. Après coupure du panneau, couper/enlever les deux pistes montrées dans l'image . Coupez la broche centrale du connecteur SMA afin de ne pas se superposer sur la diode. Placez & souder la broche centrale sur la piste du circuit puis soudez l'extérieur du connecteur au plan de masse du circuit. Utiliser une bande laiton pour faire un boîtier autour du circuit. Soudez le laiton avec le plan de masse et le connecteur SMA. Percer des trous de diamètre 4mm aux environs de la position indiquée pour monter le connecteur d'alimentation. Le petit coaxial soudé directement peut être également utilisé à  la place du connecteur SMA.

 Installer temporairement une résistance de 1K au lieu de la résistance de 1,6 K jusqu'à  ce que le courant polarisé exigé soit déterminé. Reliez un ampère-mètre en série avec la résistance 1K et une alimentation variable. Allumez l'alimentation et augmenter la tension jusqu'à  environ 1mA.

Reliez la sortie du générateur de bruit via environ 25 dB d'atténuation à  l'installation qui sera employée pour calibrer l'Enr et ajuster la tension d'alimentation pour un bruit maximum à  la fréquence désirée (j'ai utilisé 10368 mégahertz). Remplacer la résistance 1k par une résistance comme en fonction de l'alimentation et le courant correspondant (j'ai utilisé du 12V régulé).

étalonnage:

Reliez la source de bruit calibrée (présumée de 5dB ENR) à  l'installation d'essai et notez le facteur Y. Reliez la source de bruit non-calibrée et changez l'atténuateur 25-dB pour obtenir le même Y-Factor que la source calibrée aussi précisement que possible. J'ai exécuté l'étalonnage aux fréquences suivantes, qui étaient d'intérêt particulier pour moi et dont j'ai eu le matériel disponible: 50Mhz, 145Mhz, 436 Mhz, 1296 Mhz, 2304 Mhz, 3456 Mhz, 5760 Mhz, 10368 Mhz.

L'article de Paul décrit  les précautions qui doivent être prises avec les amplificateurs large bande et les sources de bruit pour éviter les lectures incorrectes. A chaque fréquence d'étalonnage, le facteur Y est noté pour la source calibrée et non-calibrée puis rentré dans le tableur pour calculer l'Enr de l'unité non-calibrée.

Les formules utilisées dans le tableur sont données ci-dessous:

Noise Figure Calculation

NF = ENR-10Log(Y-1)

NF = Noise Figure in dB

ENR = Excess noise source in dB

Y = ratio of levels with noise source on/off (not dB)

Equation used for Excel program to calculate NF:

NF = ENR-(10*Log(10^(YdB/10)-1))

YdB is the ratio of levels with noise source on/off in dB

Equation used for calibrating an unknown ENR source against a calibrated unit.

ENRucs=(ENRcs-10*(LOG(10^(YdBcs/10)- 1))+(10*(LOG(10^(YdBucs/10)-1)))

ENRucs is the calculated ENR in dB of the uncalibrated source.

ENRcs is the ENR in dB of the calibrated source.

YdBcs is the Y-Factor (dB) produced by the calibrated source.

YdBucs is the Y-Factor (dB) produced by the uncalibrated source.