Приложение D (справочное). Нелинейность усилителя и пример процедуры калибровки

Приложение D
(справочное)

Нелинейность усилителя и пример процедуры калибровки в соответствии с 6.2

D.1 Цель ограничения искажений усилителя

Нелинейность усилителя должна поддерживаться на достаточно низком уровне, при котором она не будет оказывать существенного влияния на неопределенность значений напряженности поля. В соответствии с этим в настоящем приложении приведены рекомендации для испытательных лабораторий по выявлению и ограничению эффектов насыщения усилителя.

D.2 Возможные проблемы, вызываемые гармоническими составляющими и насыщением усилителя

Гармонические составляющие могут привести к различным последствиям.

a) Напряженность поля может включать в себя значительную долю гармонических составляющих:

1) если это имеет место при калибровке, то будет иметь место ошибка измерения напряженности поля на заданной частоте, так как широкополосная антенна для измерения напряженности поля обеспечивает измерение уровней полей как на основной частоте, так и на частотах гармонических составляющих.

Предположим, например, что уровень третьей гармонической составляющей напряжения сигнала на зажимах антенны на 15 дБ ниже, чем уровень сигнала на основной частоте, и другие гармонические составляющие отсутствуют. Предположим также, что коэффициент калибровки антенны на основной частоте на 5 дБ меньше, чем на частоте третьей гармонической составляющей. Тогда измеренная напряженность поля на основной частоте будет лишь на 10 дБ больше, чем на частоте третьей гармонической составляющей. Если общая измеренная напряженность поля составляет 10 В/м, напряженность поля на основной частоте будет 9,5 В/м. Можно полагать, что указанная ошибка является допустимой, так как она меньше, чем погрешность измерительной антенны;

2) в процессе испытаний заметные гармонические составляющие могут привести к ошибкам в выявлении нарушений функционирования ИО, если испытуемое оборудование устойчиво функционирует при воздействии помехи на основной частоте, но оказывается восприимчивым к воздействию помехи на частоте гармонической составляющей;

b) В некоторых случаях гармонические составляющие могут оказывать влияние на результаты испытаний даже при их эффективном подавлении. Например, при испытаниях приемного устройства, функционирующего на частоте 900 МГц, даже весьма слабые гармонические составляющие испытательного сигнала частотой 300 МГц могут перегрузить вход приемника. Аналогичное влияние могут оказать побочные колебания на выходе усилителя, не связанные с гармоническими составляющими основной частоты;

c) насыщение усилителя возможно даже при отсутствии измеряемых гармонических составляющих, например если на выходе усилителя применен фильтр низких частот, эффективно подавляющий гармонические составляющие. В этом случае также возможны ошибочные результаты:

1) если это происходит при калибровке, возможные ошибки связаны с тем, что при использовании алгоритма, установленного в 6.2, используется предположение о линейности;

2) в процессе испытаний такой вид насыщения усилителя приводит к ошибке установления коэффициента модуляции и появлению гармонических составляющих частоты модуляции (обычно 1000 Гц).

Указанные примеры показывают, что установление предельных численных значений искажений усилителя нецелесообразно, так как степень влияния указанных искажений существенно зависит от вида ИО.

D.3 Предложения по контролю нелинейности усилителя

D.3.1 Ограничение содержания гармонических составляющих испытательного поля

Гармонические составляющие испытательного поля могут быть ограничены за счет использования на выходе усилителя регулируемого (следящего/настраиваемого) фильтра низких частот. Для всех частот, при которых на выходе усилителя возникают гармонические составляющие, необходимо, чтобы ослабление гармонических составляющих поля в сравнении с составляющей на основной частоте превышало 6 дБ [см. также вариант влияния перегрузки усилителя, указанный в перечислении b) раздела D.2].

При этом ошибка установления напряженности поля будет менее 10 %. Например, напряженность поля 10 В/м при измерении широкополосной антенной может быть вызвана составляющими поля напряженностью 9 В/м на основной частоте и 4,5 В/м на частоте гармонической составляющей. При оценке неопределенности измерения напряженности поля при калибровке такой вариант является допустимым.

Если на выходе усилителя применяют фильтр низких частот с фиксированными параметрами, то верхняя характеристическая частота фильтра должна быть равна примерно 1/3 максимальной частоты усилителя.

D.3.2 Измерение содержания гармонических составляющих испытательного поля

Гармонический состав испытательного поля может быть измерен либо непосредственно путем применения селективной измерительной антенны, либо косвенным способом. При использовании косвенного способа:

- определяют эффективный коэффициент калибровки излучающей антенны (отношение подаваемой мощности к напряженности поля для данной камеры и данного расположения антенны), а затем находят отношение подаваемой мощности на основной частоте и частотах гармонических составляющих или

- применяют направленный ответвитель с учетом значений коэффициента калибровки антенны, приведенных в технических документах изготовителя.

Если на выходе усилителя, который может работать в режиме насыщения, применяют фильтр низких частот, подавляющий гармонические составляющие, то уровень подаваемого сигнала ни при каких условиях не должен превышать значение на 2 дБ ниже точки насыщения усилителя. При этом пиковое значение сигнала на выходе усилителя (в вольтах) будет уменьшено на 20 %.

Это приведет к снижению глубины модуляции от 80 % до 64 %, т.е. к уменьшению показаний измерителя напряженности поля на 20 %.

D.4 Примеры, свидетельствующие об эквивалентности двух методов калибровки (см. 6.2)

Рисунок D.1 - Позиции измерительной антенны (датчика) в плоскости однородного поля

На рисунке D.1 показано расположение 16 позиций, в которых должна быть измерена однородность поля. Расстояние между соседними позициями должно быть фиксированным и равным 0,5 м.

D.4.1 Пример выполнения процедуры калибровки с использованием метода постоянной напряженности поля в соответствии с 6.2.1

Для создания постоянной напряженности поля Е_с = 6 В/м на конкретной частоте при измерениях с применением установки, приведенной на рисунке 7, потребовались значения подводимой мощности, приведенные в таблице D.1 (принято в качестве примера). В таблице D.2 эти значения распределены в порядке возрастания.

Таблица D.1 - Измеренные значения подводимой мощности при калибровке с использованием метода постоянной напряженности поля

Позиция	Подаваемая мощность, дБ (мВт)
1	27
2	22
3	37
4	33
5	31
6	29
7	23
8	27
9	28
10	30
11	30
12	31
13	40
14	30
15	31
16	31

Таблица D.2 - Измеренные значения подводимой мощности, распределенные в порядке возрастания, и оценка результатов измерений

Позиция	Подаваемая мощность, дБ (мВт)
2	22
7	23
1	27
8	27
9	28
6	29
10	30
11	30
14	30
5	31
12	31
15	31
16	31
4	33
3	37
13	40
Примечания 1 Позиция 13: 40 - 6 = 34, соответствуют требованиям только две позиции. 2 Позиция 3: 37 - 6 = 31, соответствуют требованиям только шесть позиций. 3 Позиция 4: 33 - 6 = 27, соответствуют требованиям двенадцать позиций.

В указанном примере измерительные позиции 2, 3, 7 и 13 не соответствуют критерию 0/+ 6 дБ, но по крайней мере 12 из 16 позиций соответствуют указанному критерию. Следовательно, на данной конкретной частоте критерий однородности испытательного поля выполняется. В данном случае подводимая мощность должна составлять 33 дБ (мВт). Это обеспечит для двенадцати позиций напряженность поля не менее 6 В/м (позиция 4) и для двух позиций напряженность поля не менее 12 В/м (позиции 1 и 8).

D.4.2 Пример выполнения процедуры калибровки с использованием метода постоянной мощности в соответствии с 6.2.2

Позиция 1 выбрана в качестве первой точки калибровки, в которой обеспечена напряженность поля Е_с = 6 В/м на конкретной частоте. При той же подводимой мощности измерены с применением установки, приведенной на рисунке 7, значения напряженности поля, приведенные в таблице D.3. В таблице D.4 эти значения распределены в порядке возрастания.

Таблица D.3 - Измеренные значения подводимой мощности и напряженности поля при калибровке с использованием метода постоянной мощности

Позиция	Подаваемая мощность, дБ (мВт)	Напряженность поля, В/м	Напряженность поля, дБ, относительно позиции 1
1	27	6,0	0
2	27	10,7	5
3	27	1,9	-10
4	27	3,0	-6
5	27	3,8	-4
6	27	4,8	-2
7	27	9,5	4
8	27	6,0	0
9	27	5,3	-1
10	27	4,2	-3
11	27	4,2	-3
12	27	3,8	-4
13	27	1,3	-13
14	27	4,2	-3
15	27	3,8	-4
16	27	3,8	-4

Таблица D.4 - Измеренные значения напряженности поля, распределенные в порядке возрастания, и оценка результатов измерений

Позиция	Подаваемая мощность, дБ (мВт)	Напряженность поля, В/м	Напряженность поля, дБ, относительно позиции 1
13	27	1,3	-13
3	27	1,9	-10
4	27	3,0	-6
5	27	3,8	-4
12	27	3,8	-4
15	27	3,8	-4
16	27	3,8	-4
10	27	4,2	-3
11	27	4,2	-3
14	27	4,2	-3
6	27	4,8	-2
9	27	5,3	-1
1	27	6,0	0
8	27	6,0	0
7	27	9,5	4
2	27	10,7	5
Примечания 1 Позиция 13: -13 + 6 = -7, соответствуют требованиям только две позиции. 2 Позиция 3: -10 + 6 = -4, соответствуют требованиям только шесть позиций. 3 Позиция 4: - 6 + 6 = 0, соответствуют требованиям двенадцать позиций.

В указанном примере измерительные позиции 13, 3, 7 и 2 не соответствуют критерию 0/+ 6 дБ, но 12 из 16 позиций соответствуют указанному критерию. Следовательно, на данной конкретной частоте критерий однородности испытательного поля выполняется. В данном случае подводимая мощность, необходимая для обеспечения напряженности поля E_c = 6 В/м, должна составлять 27 дБ (мВт) + 20 lg (6 В/м/3 В/м) = 33 дБ (мВт). Это обеспечит для 12 позиций напряженность поля не менее 6 В/м (позиция 4) и для двух позиций напряженность поля не менее 12 В/м (позиции 1 и 8).