Современные технологии и системы автоматизированного измерения на СВЧ

Обобщенная блок-схема АЦ (илл. Балло, с. 17)

Источник зондирующих сигналов (см. выше)

Источник сигнала обеспечивает возбуждение нашей тестовой системы. Мы можем или качать частоту источника, или качать его уровень мощности. Традиционно анализатор цепей использует отдельный источник. Эти источники или основаны на ГУНе с открытой петлей обратной связи, что дешевле, или более дорогие синтезаторы частот, которые обеспечивают более высокое качество, особенно для измерения узкополосных устройств.

Интенсивный фазовый шум ГУНа с открытой петлей значительно деградирует точность измерения, когда тестируется узкополосная компонента при малой амплитуде качания частоты. Большинство анализаторов цепей фирмы НР, продаваемых сегодня, имеет интегрированный синтезированный источник.

Устройства разделения сигналов (дивайдеры и сплиттеры, делители и расщепители)

191

Оборудование разделения сигналов должно обеспечивать две функции. Первая, измерять часть падающего сигнала для получения опорной величины к рационированию (получению относительной величины). Это можно сделать расщепителем или направленным ответвителем. Расщепители обычно резистивны. Они не направленные приборы (подробнее о направленности далее) и могут быть очень широкополосны. Плата за это в том, что обычно они имеют 6 дБ или более потерь в каждой ветви. Направленные ответвители имеют очень низкие вносимые потери (по главной ветви) и хорошие развязку и направленность.

Вторая функция сигнально-разделительного оборудования, разделить падающую (вперед идущую) и отраженную (обратную) волны на входе тестируемого прибора. Снова, ответвители идеальны в том, что они направлены, имеют малые потери и высокую обратную развязку.

Однако, из-за трудностей изготовления истинно широкополосных ответвителей, часто используются мосты. Более подробно об устройствах сигнального разделения в Приложении.

Приемники (широкополосные и узкополосные) (илл. Балло, с. 20, с. 21, с. 21)

Есть два основных пути обеспечения детектирования сигнала в анализаторах цепей. Диодное детектирование преобразует уровень радиочастотного сигнала в пропорциональный постоянный уровень. Если сигнал амплитудно модулирован, диод убирает радиочастотное заполнение из модуляции. Диодное детектирование по природе скалярно, так как фазовая информация радиочастотной несущей теряется.

Подстраиваемый приемник использует гетеродин для преобразования вниз на более низкую промежуточную частоту. Гетеродин замкнут или на радиочастотный, или на промежуточный сигнал, так что приемник анализатора цепей уже подстроен к радиочастотному сигналу, присутствующему на входе. Сигнал ПЧ пропускается через полосовой фильтр, который обужает полосу приемника и сильно улучшает чувствительность и динамический диапазон. Современные анализаторы используют аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровую обработку

192

сигнала (ЦОС) для выделения амплитудной и фазовой информации из сигнала ПЧ. Подход с подстраиваемым приемником можно использовать в скалярном или векторном анализаторе цепей.

Сравнение методов приема (илл. Балло, с. 22)

Широкополосное детектирование

∙Легко сделать широкополосным

∙Дешево в сравнении с подстраиваемым приемником

∙Хорош для тестирования частотно-преобразующих приборов

∙Улучшает динамический диапазон путем увеличения мощности

∙Средние чувствительность и динамический диапазон

Узкополосное детектирование

∙Лучшая чувствительность/динамический диапазон

∙Обеспечение вырезания гармоник/побочных сигналов

∙Улучшение динамического диапазона увеличением мощности, уменьшением

полосы ПЧ, или усреднением

∙Дихотомия шумового пола и скорости измерения

Динамический диапазон

193

Два типа переключателей

Есть два типа переключателей передачи, которые могут использоваться в установке с S- параметрами: твердотельный и механический. Твердотельные переключатели имеют преимущество бесконечного времени жизни (в предположении, что они не повреждаются слишком большой мощностью от тестируемого прибора). Однако, они дают большие, чем механические, потери, поэтому они снижают максимальную выходную мощность анализатора. Механические переключатели имеют очень низкие потери и позволяют достичь более высоких выходных мощностей. Их главный недостаток в том, что с течением времени они изнашиваются (после 5 миллионов циклов, или около того). Когда используют анализатор с механическими переключателями, измерения обычно делают в односвипповом режиме, поэтому переключатель не работает непрерывно.

Процессор и дисплей для расчетов и отображения результатов (илл. Балло, с. 24)

Последний главный блок оборудования в анализаторе это секция дисплей/процессор. Здесь данные прохождения и отражения форматируются так, чтобы сделать легко интерпретируемыми измерительные результаты. Большинство анализаторов имеют такие функции, как линейные и логарифмические качания, линейные и логарифмические форматы, полярные системы, диаграммы Смита и т.д. Другие общие свойства – трассовые маркеры, граничные линии, тестирование срывов пропускания. Многие из анализаторов НР имеют специальные измерительные свойства, приспособленные для частных рынков или применений. Один пример: подстраиваемый анализатор НР 8730А.

Модели ошибок

Виды ошибок (случайные, систематические, дрейфовые)

Случайные ошибки (флуктуации зондирующего сигнала, шумы, другие флуктуации) 194

∙Варьируют во времени случайным образом (непредсказуемы)

∙Не могут быть исключены калибровкой

∙Главные составляющие:

-инструментальный шум (источники шума, шумовой пол на ПЧ и т.д.

-повторяемость переключателя

-повторяемость разъема

Борьба со случайными ошибками (уменьшение коэффициента шума цепей, усреднение и сглаживание, оптимальные оценки)

Дрейфовые ошибки

∙Из-за изменений инструментальной и тестовой характеристик после сделанной калибровки

∙Из-за первичных проявлений температурных вариаций

∙Могут убираться путем дальнейших калибровок

Модели факторов систематических ошибок (12-факторная модель, другие модели) (илл. Балло, с. 30)

Показанные здесь главные систематические ошибки связаны с измерениями цепей. Ошибки, связанные с протечками сигнала, это направленность и перекрестная помеха. Ошибки, относящиеся к отражению сигнала, это согласование на источнике и на нагрузке. Ошибки, относящиеся к частотному отклику приемника, это сопровождение прохождения и сопровождение отражения. Полная двухпортовая модель ошибок включает все шесть этих составляющих для прямого направления и те же шесть (с другими данными) в обратном направлении, итого 12 составляющих ошибки. Вот почему мы часто относим двупортовую калибровку к двенадцати-членной коррекции ошибок.

Уравнения для измеренных значений параметров рассеяния (см. свое изложение) (потоковые графы: прямой и обратный, их решение, уравнения для Sijm)

Тип ВАЦ

Далее по умолчанию: ВАЦ двухпортовый, для измерения S-параметров (с переключателем), с двумя измерительными НО, с конфигурируемым измерительным блоком (6 выведенных дополнительных пар разъемов), с АРМ источника, на коаксиальных линиях и коаксиальных разъемах, два измерительных приемника с преобразованием частоты, два опорных приемника, 2 аттенюатора источника, 1 переключатель, 1 источник-синтезатор, 1 гетеродинсинтезатор.

195

Объект тестирования

Устройство двухпортовое, пассивное, линейное, без переноса частоты, взаимное, с аналоговыми входом и выходом. Подключается коаксиальными ЛП с обычными разъемами.

Источники (факторы) систематических ошибок

Пока учитываются «классические» источники (факторы): с каждой стороны зондирования 2 протечки, 2 согласования, 2 трекинга.

2 протечки: за счет небесконечной направленности и за счет неидеальной изоляции между 1-ым и 2-ым портами ВАЦ;

2 согласования: за счет рассогласования источника и рассогласования выходного порта ВАЦ;

2 трекинга: трекинг (нуль отсчета) отражения и трекинг пропускания.

Потом будут учтены другие факторы ошибок: разъемы, дополнительные кабели, адаптеры и другие.

Фиксируемые параметры

Ошибки и соотношения для них параметрически зависят от частоты источника, мощности источника, положения аттенюаторов, полосы ПЧ, режима видео-усреднения, времени стояния на одной частотной точке, параметров эталонов конкретного кита, . Значения этих параметров образуют вектор параметров α .

Виды описания систематических ошибок измерения S-параметров

∙Доверительный интервал со 100-процентной доверительной вероятностью, строится с помощью максимальной абсолютной ошибки.

∙Доверительный интервал с заданной доверительной вероятностью.

∙Распределение вероятностей (плотность вероятностей квазираспределения) ошибки S-параметра.

∙Среднеквадратичное отклонение квазираспределения ошибки S-параметра.

Объекты измерения

Поскольку измеряемые ВАЦем величины Sij (i, j = 1, 2) – комплексные, то объекты

Физический смысл и обозначения факторов ошибок

196

Перечисленные в п. 1.3. факторы создают двенадцатичленную модель ошибок, включающую (комплексные) факторы ошибок. Дадим их определения при комплексной

амплитуде сигнала источника &

Uист =1.

При зондировании слева направо:

EDF – ошибка направленности: обусловленная дефицитом направленности левого НО комплексная амплитуда протечки сигнала источника в отражательный порт этого НО. Модуль EDF удовлетворяет соотношению

ESF – ошибка согласования источника: комплексный коэффициент отражения источника.

ELF – ошибка согласования нагрузки: комплексный коэффициент отражения нагрузочного порта ВАЦ.

ERF – трекинг (нуль отсчета) отражения (мультипликативная ошибка):

ETF – трекинг (нуль отсчета) пропускания (мультипликативная ошибка):

EXF – протечка (изоляция) в нагрузочный порт ВАЦ: комплексная амплитуда протечки в правый порт.

При зондировании справа налево:

те же 6 составляющих, с заменой второго индекса с F на R .

Обозначения составляющих ошибок (из файла «Специфические калибровочные стандарты»).

Пояснения: Первая буква индекса указывает на вид составляющей ошибки, вторая буква – откуда зондирующий сигнал, E – составляющая ошибки.

Обозначение вида составляющей ошибки:

D – направленность (от directivity)

S – согласование источника (от source match)

R – отражательное сопровождение (от reflection tracking) L – согласование нагрузки (от load match)

T – сопровождение пропускания (от trans. tracking) X – изоляция

197

Откуда зондирующий сигнал (вторая буква)

F – прямое зондирование (от forward) R – обратное зондирование (от reverse)

Обозначения измеряемого и истинного S-параметра

Третий индекс S-параметра: М – измеряемый (от measure), А – истинный (от actuality)

Исходная система уравнений

Исходная система уравнений для анализа докалибровочных и послекалибровочных (остаточных) ошибок получается из уравнений оценок S-параметров тестируемого устройства:

Исходную систему уравнений (4к) можно получить, решив потоковые графы, соответствующие зондированию слева и справа и учитывающие факторы ошибок в полной модели ошибок. Эти графы приведены на рис. 1к, 2к. Решая эти графы методом неприкасающихся ветвей относительно оценок SijM , получаем искомую систему:

198

замены E на Eостат . Вектор Eостат получается из вектора E путем замены первоначальных

(комплексных) факторов ошибок на модули факторов, скорректированные при калибровке.

Замечание: это означает, что если калибровка неполная, т. е. корректируются не все

R

факторы ошибок, то в функции ϕ(...) вектор Eостат включает факторы по итогу: те, что калибровались, берутся в остаточном виде, те, что не калибровались, берутся в начальном виде. В свою очередь, это означает, что нижеследующие формулы годятся для любого анализатора (скалярный, векторный, любая модель) и любого типа калибровки (полная-неполная, двупортовая-однопортовая, механическая-электронная, с хорошими или плохими эталонами, вообще без калибровки и т. д.), надо только брать те значения модулей факторов, которые получаются экспериментально после калибровки.

Максимальная ошибка фазы S-параметра

199

2. Максимальные абсолютные ошибки амплитуд S-параметров

2.1. Первый порядок факторов ошибок, результаты в линейном масштабе

Согласно (14к), в первом порядке факторов ошибок находим:

2.2. Первый порядок факторов ошибок, результаты в децибельном масштабе

Ошибки, определенные по формулам (16к)-(19к), имеют линейный масштаб. Ошибки модулей S-параметров в децибельном масштабе найдем как

При выполнении условия

D+ Sij SijA ,

имеем

3. Максимальные абсолютные ошибки фаз S-параметров

3.1. Первый порядок факторов ошибок, результаты в радианах

Согласно (15к), в первом порядке факторов ошибок и с учетом приближения arctg(x) x, x 1, находим:

200