Современные технологии и системы автоматизированного измерения на СВЧ

цессе настройки и эксплуатации доступ к области связи без какого-либо нарушения жесткости крепления внутренних проводников относительно внешних (корпуса). В результате, поставленная создателями данного НО цель была достигнута: например, для НО с переходным ослаблением 20 дБ в диапазоне 1…15 ГГц оказалось DC1dB = ± 0,5 дБ, D1dB ³ 30 дБ,

K1 £ 1,3.

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ

Предисловие

Как указано выше, в качестве сепаратора прямой и отраженной волн можно использовать или направленный ответвитель (НО), или отражательный мост (ОМ). В данной главе рассматривается второй вариант. Выбор одного из этих видов сепараторов в каждом конкретном применении диктуется рядом факторов и требований, таких как энергетическая эффективность, стоимость, влияние на ошибку измерения отраженной волны, широкополосность и т. д. Свидетельством нешаблонности этого выбора могут служить случаи, когда в одном и том же измерительном приборе в различных его частях сделан разный выбор, например, в тестовой сети скалярного анализатора цепей применены ОМ, а в схеме выравнивания мощности сканирующего генератора зондирующих сигналов(синтезатора частот) – НО. В обоих видах сепараторов важнейшим фактором, влияющим на ошибку оценки мощности отраженной волны, является размер дефицита направленности.

Начиная со знаменитого моста Уитстона, мостовые методы детектирования и измерения в различных частотных диапазонах, от постоянного тока до СВЧ, чрезвычайно развились и составляют основу ряда конструкций различного функционального назначения.

Вэтом разнообразии ОМ представляют лишь частное, специфическое приложение.

Впоследние десятилетия происходило своеобразное соревнование между НО и ОМ за право реализации функции сепарации волн СВЧ. Развивались и совершенствовались оба вида; на каждом этапе этого соревнования ответ на вопрос: какой вид сепаратора предпочтителен в данной ситуации с точки зрения комплексного критерия, включающего направленность, широкополосность, согласованность и т.д., был разным. Например, долгое время почти догмой было мнение, что для обеспечения функции сепарации волн в тестовой сети скалярного анализатора цепей (САЦ) предпочтительней скалярный ОМ (датчик КСВ, отражательный мост с вшитым диодным детектором), нежели НО, т.к. первый дешевле и лучше согласован; а для тестовой сети векторного анализатора (ВАЦ) предпочтительней НО, нежели векторный ОМ, т.к. последний включает СВЧ-трансформатор, ограничивающий рабочую полосу сепаратора, и относительно дорог. Сейчас, благодаря прогрессу в технологии СВЧ-трансформаторов, по крайней мере вторая часть этого мнения часто не верна.

Датчик комплексного коэффициента отражения

В интересующем нас диапазоне частот от нескольких МГц до десятков ГГц существует две возможности построения мостового сепаратора волн.

111

Мостовой датчик комплексного коэффициента отражения нагрузки, включенной в плечо моста

Первую возможность реализует мостовой датчик комплексного коэффициента отражения нагрузки, включенной в плечо моста (рис. 16.1.1). Физическая информация о комплексном коэффициенте отражения заложена в комплексной амплитуде колебания основной (фундаментальной) частоты f0 , снимаемого со вторичной диагонали моста (на пер-

вичную диагональ подается волна от генератора). Обработка выходной волны совместно с ответвленным опорным колебанием позволяет определить как модуль, так и фазу искомого коэффициента отражения; поэтому такой датчик годится для использования в векторном анализаторе цепей.

Принципиальной трудностью реализации такого мостового датчика является необходимость трансформации напряжения вторичной диагонали моста в выходное напряжение, т.к. несимметричное включение этой диагонали (заземление одного из ее узлов) нарушило бы баланс моста. Требуемый трансформатор (рис. 16.1.1) как блок перехода «симметричное-несимметричное» существенно ограничивает широкополосность мостовой схемы в целом и затрудняет решение проблемы приемлемого согласования. И хотя к настоящему времени разработаны и производятся коммерческие модели таких мостовых датчиков с приемлемыми характеристиками, они все еще достаточно дороги. К счастью, для скалярного анализатора цепей такой датчик не нужен.

Датчик модуля коэффициента отражения

Мостовой датчик модуля коэффициента отражения нагрузки, включенной в плечо моста

112

Вторую возможность реализует мостовой датчик модуля коэффициента отражения нагрузки, включенной в плечо моста (рис. 16.2.1). Поскольку сохранение информации о фазе отраженной волны на частоте f0 не требуется, напряжение на вторичной диагонали

можно непосредственно продетектировать. В схеме этого датчика балансный детектор помещен между узлами 1 и 2, выход схемы может быть несимметричным, линия передачи соединяет порт между узлами 2 и 4 (тестовый порт) с нагрузкой, прямая волна входит в порт между 3 и 4. В отечественной литературе такой мостовой датчик иногда называют «датчиком КСВ», имея в виду, что он позволяет определить скалярную величину – модуль коэффициента отражения GL = ρ , которую легко пересчитать в КСВ kСВ по формуле:

k = 1+ GL = 1+ r . СВ 1- GL 1- r

Будем считать, что внутреннее сопротивление источника напряжения E равно характеристическому сопротивлению линии R0 . Если бы линия, подключенная к тестовому порту, имела бесконечную длину, ее входное сопротивление для входящей прямой волны было бы также равно R0 , мостовой импеданс между точками 3 и 4 был бы согласован с внутренним сопротивлением источника R0 , напряжение между этими точками равнялось

бы E / 2 , а напряжение прямой волны на тестовом порте составляло половину этого напряжения и равнялось E / 4 (-6 дБ относительно напряжения E / 2 ). На самом деле, в общем случае линия имеет конечную длину и нагружена на несогласованное комплексное сопротивление Z X . Комплексный коэффициент отражения от этой нагрузки равен:

GL = Z X − R0 ,

Z X + R0

а комплексная амплитуда напряжения отраженной волны на тестовом порте равна (с точностью до фазового сдвига на длине линии):

VR = E ×GL . 4

Чтобы найти комплексную амплитуду ER напряжения на входе детектора (в первом

случае – на входе трансформатора), рассмотрим схему рис. 16.2.1, удалив из нее генератор и элементы детектора [16.1] (рис. 16.2.2) и введя очевидные обозначения (сопротивление в плече D – шунтирующее сопротивление детектора). Из схемы рис. 16.2.3, полученной из схемы рис. 16.2.2 с помощью теоремы Тевенина, видно, что если сопротивления в плечах C и D равны (это выполняется на рис. 16.2.1), то ER равна половине VR :

ER = VR = E GL . 2 8

Как видим, между входной прямой волной E / 2 и детектируемой отраженной волной образуются дополнительные потери 12 дБ.

113

Эквивалентная схема моста при удалении генератора и элементов детектора

Схема после преобразования по теореме Тевенина

Более подробный анализ схем рис. 16.2.1 и рис. 16.2.2 показывает, что плечо D развязано от прямой входной волны (между тт. 3-4), а плечо A (между тт. 1-3) – от отраженной волны (на детекторном порте и на входе детектора). Калиброванное сопротивление в плече C выполняет функцию внутренней опоры, определяющей характеристический импеданс моста. Конструктивно опорная и детекторная цепи интегрированы в мост, который, таким образом, становится сигнальным сепаратором со встроенным ослаблением в 6 дБ в прямом направлении и 6 дБ – в обратном направлении.

Вернемся к вопросу выбора сепаратора волн: НО или ОМ? НО не испытывает 12децибельных двухпутевых потерь, и в этом смысле энергетически более выгоден. С другой стороны, многократные отражения между источником и тестируемым устройством, между которыми находится сепаратор в виде НО, фактически увеличивают негативный эффект дефицита направленности НО, что при очень «скромных» возможностях калибровки скалярного анализатора цепей может сделать соответствующую составляющую ошибки измерения модуля коэффициента отражения недопустимо большой. В то же время именно 12-децибельные потери в ОМ, игравшие в энергетическом аспекте негативную роль, в аспекте усиления ошибки направленности играют позитивную роль, фактически разрывая цепь многократных отражений.

114

отечка пр

Пути прямого и отраженного сигналов в отражательном мосте

Упрощенный потоковый граф нагруженного отражательного моста

Сигнальные пути в отражательном мосте показаны на рис. 16.2.4 ( ΓC , ΓD – коэффи-

циенты отражения разъемов). Здесь есть два отражательных пути: один, формирующий многократную петлю с источником; другой с разъемным рассогласованием детектора отражения. Первый пренебрежим, поскольку путевые потери по кругу составляют 12 дБ; второй также очень мал, поскольку детектор отражения неотделим от собственно моста. Упрощенный потоковый граф на рис. 16.2.5 не включает многократные отражательные эффекты между тестовым и детекторным портами, но учитывает отражения от источника во входном канале. Здесь L представляет 6-децибельные мостовые потери, ED – сигнал,

обязанный дефициту направленности между прямым и детекторным портами, ET , EL от-

носятся к пропускательным потерям и отражению нагрузки в детекторе пропускания соответственно. ТУ представлено своими S-параметрами.

Потоковый граф после следующего упрощения

115

Сигнал дефицита направленности складывается на тестовом порте с отраженной волной его разъема, в результате эффективная направленность сепаратора волн ограничена качеством разъема тестового порта. Стоит заметить, что гибридная природа моста способствует некоторому погашению разъемного рассогласования путем старательного выбора импеданса в плече А, чтобы оптимально перераспределить переотражения на детекторный и тестовый порты. На рис. 16.2.6 показан граф, упрощенный за счет суммирования ветви ED с одной из ветвей ΓC (сумма снова обозначена ED ) и игнорирования ΓS (в свя-

зи с чем отпадают две разнонаправленные ветви ΓC ).

116

АТТЕНЮАТОРЫ

Предисловие

Как ни удивительно, столь простое по замыслу устройство, как аттенюатор, находит многочисленные применения, отвечает широкой классификации, характеризуется многочисленными параметрами, выполняет многочисленные требования. Осуществляя банальную функцию ослабления, аттенюаторы находят значительное число применений: предотвращение перегрузки или выгорания, согласование импедансов, измерение потерь или усиления, увеличение изоляции, расширение динамического диапазона.

Они могут быть пассивными или активными, поглощающими или отражающими, фиксированными или переменными, шаговыми или непрерывными, регулируемыми мануально или электронно, резистивными или реактивными, симметричными по импедансу или несимметричными, калибруемыми или некалибруемыми, принадлежать к различным классам по степени точности установки ослабления. Для характеризации аттенюаторов применяются такие параметры, как девиация ослабления, частотная, температурная и мощностная чувствительности, внесенные потери, входной и выходной КСВ. Данная глава ограничена пассивными аттенюаторами.

Характеристики и параметры

Аттенюатор это линейная, пассивная или активная цепь или прибор, который ослабляет электрические или микроволновые сигналы, представленные током или напряжением. Он может быть встроен в коаксиальную, полосковую или волноводную линию передачи. Ослабление (атте- нюация) обычно выражается отношением входной мощности Pin к выходной мощности Pout в линейных величинах:

Attenlin ( A) = Pin / Pout ,

в децибелах:

где E1 , E2 – амплитуды напряжений, α – коэффициент ослабления (Нп/м), x – длина ослабляю-

щего участка линии передачи. Соотношение между неперами и децибелами:

1 Нп=8.686 дБ.

Девиация ослабления – разность между действительным и номинальным ослаблениями при комнатной температуре и входной мощности 10 мВт на специальной частоте.

Частотная чувствительность – разность между максимальным и минимальным ослаблениями в заданном частотном диапазоне.

Номинальная частота – специальная частота, на которой задается точность ослабления аттенюатора.

Внесенные потери – величина потерь мощности из-за внесения аттенюатора в передающую систему. Выражается отношением доставленной мощности к той части системы, которая следует за аттенюатором, перед и после его внесения.

Характеристические внесенные потери – внесенные в линию передачи потери при отсутствии отражений в обоих направлениях от вставленного в линию аттенюатора.

117

Возможности управления мощностью – максимальная мощность, которая может быть подана на аттенюатор в специальных условиях и при заданной длительности без появления долговременных, выходящих за специальные границы, изменений рабочих характеристик.

Мощностная чувствительность – временное изменение ослабления (дБ/Вт) в стабильных условиях, когда входная мощность меняется от 10 мВт до максимального значения.

Стабильность ослабления – способность аттенюатора сохранять свои параметры под воздействием изменений окружающих условий.

Температурный диапазон действия – Температурный диапазон, в котором аттенюатор может действовать при максимальной входной мощности.

Температурная чувствительность – температурные изменения ослабления [дБ/(дБ× 0С)] в температурном диапазоне действия.

Входной КСВн – коэффициент стоячей волны по напряжению на входе аттенюатора, нагруженного на сопротивление, равное характеристическому сопротивлению источника.

Выходной КСВн – коэффициент стоячей волны по напряжению на выходе аттенюатора, вход которого нагружен на сопротивление, равное характеристическому сопротивлению источника.

Применения

Существует много примеров применений, когда необходимо вести ослабление в поле, в мощность, в напряжение, в ток. Приведем некоторые из этих примеров:

∙Уменьшение уровня сигнала для предотвращения перегрузки или выгорания.

∙Согласование импедансов источника и нагрузки для уменьшения их взаимодействия.

∙Измерение потерь или усиления двухпортового устройства.

∙Увеличение изоляции между элементами цепи, или цепями путем уменьшения взаимодействия между ними.

∙Расширение динамического диапазона оборудования.

Классификация

В зависимости от природы используемого элемента цепи, типа конфигурации и вида регулирования различают [17.1]:

∙Пассивные и активные аттенюаторы.

∙Поглощающие и отражающие аттенюаторы.

∙Фиксированные и переменные аттенюаторы.

Фиксированные аттенюаторы применяют для получения постоянного ослабления. Переменные аттенюаторы создают переменное ослабление под воздействием различных регулирующих факторов. Изменение ослабления может быть шаговым или непрерывным, регулировка производиться мануально или программно (электронные переменные аттенюаторы). Обычно аттенюаторы реверсируемы, за исключением некоторых типов высокомощных аттенюаторов. Различают аттенюаторы резистивные и реактивные, симметричные (по импедансу) и несимметричные, калибруемые и некалибруемые. Неоднократно предпринимались попытки классификации аттенюаторов по степени точности ослабления в увязке с приложениями. Например, стандарт США IEEE Std 474 [17.5] различает аттенюаторы:

Класс I – Стандартные

Класс II – Прецизионные

Класс III – Общецелевые

Класс IV – Полезные

118

Требования

Количественные требования к аттенюаторам зависят от целей их использования. При выборе аттенюатора необходимо учитывать частотный диапазон его работы, поскольку точность установки ослабления зависит от частоты. Ослабление предполагает помещение резистивного материала в поле для его поглощения; это означает, что будет проявляться некоторое отражение. Поэтому одной из целей разработки аттенюаторов является минимизация отражения. Другой фактор – внесенные потери, оцениваемые отношением уровней мощности до и после внесения поглощающего материала. Для работы переменного шагового аттенюатора важен размер шага. Вообще в список требований входят:

∙Номинал ослабления.

∙КСВн входа и выхода.

∙Точность реализуемого ослабления.

∙Номинальный уровень входной мощности.

∙Размер шага (для переменного шагового аттенюатора).

∙Рабочая полоса частот.

∙Степень стабильности (мера изменений ослабления из-за вариаций температуры, влажности, частоты и уровня мощности).

∙Характеристический импеданс на входе и на выходе.

∙Повторяемость.

∙Продолжительность работы и параметры надежности.

∙Разрешающая способность установки ослабления (при непрерывном регулировании переменных аттенюаторов).

Фиксированные аттенюаторы

Обычно в аттенюаторах используются Т-образные, П-образные или L-образные резистивные цепи. На рис. 17.5.1 приведены примеры симметричных (входные и выходные резисторы одинаковы) конфигураций. Технология изготовления резисторов на этих схемах соответствует частотному диапазону, например, в диапазоне выше 26.5 ГГц в коаксиальном тракте используются тонкопленочные резисторы. Формулы для сопротивлений резисторов и внесенных потерь в этих схемах можно найти, например, в[17.1].

119

Фиксированные аттенюаторы на симметричных резистивных цепях

Фиксированные аттенюаторы, в англоязычной литературе – pad ( прокладка), уменьшают мощность входного сигнала в фиксированное число раз, например, на 3, 10 или 50 дБ. Обычно точность ослабления (относительно номинального значения) и входной КСВн зависят от частоты в пределах рабочего диапазона частот. Этот вид аттенюаторов используется в многочисленных приложениях, в том числе в скалярных и векторных анализаторах цепей, с целью уменьшения уровня сигнала и (или) согласования источника с нагрузкой. Уменьшение уровня сигнала может понадобиться для приведения диодного детектора в квадратичный режим, при тестировании устройств (например, усилителей) в малосигнальной области, для удовлетворения требований мощностных сенсоров и т. п. Улучшение импедансного согласования с помощью аттенюаторов может понадобиться для уменьшения частотнозависимых вариаций сигнала, обусловленных рассогласованиями, для уменьшения частотного затягивания твердотельных источников за счет изменения высокоотражающей нагрузки и т. п.

Аттенюатор на параллельном (а) и последовательном (б) проволочном или тонкопленочном поглотителе на изолирующей подложке

120