Mikrovlnné měřicí systémy
Skalární analyzátory A.
Měřené veličiny
S-parametry - amplituda / fáze, měření pomocí VNA, drahé, složité Skalární parametry - v řadě praktických případů však není nezbytně nutné měřit fáze odrazů a přenosů a stačí měřit pouze moduly Použití - měření hotových obvodů s vstupními a výstupními konektory G = P2 / P1
přenos výkonu
GdB = P2 dBm − P1dBm
kde P2 je výkon na výstupu a P1 na vstupu obvodu modul koeficientu odrazu
Γ = sii = bi / ai
útlum odrazů
ΓdB = −20 log Γ
i=1,2,3………
Útlum odrazů ΓdB - udává o kolik dB je výkon odražené vlny nižší, než je výkon dopadající vlny: Γ
ΓdB
0,01 0,1 0,2 0,3 0,5 0,8 0,99 1
40 20 14 10,45 6 1,9 0,09 0
odráží se 0,01% dopadajícího výkonu odráží se 1% dopadajícího výkonu odráží se 4% dopadajícího výkonu odráží se 9% dopadajícího výkonu odráží se 25% dopadajícího výkonu odráží se 64% dopadajícího výkonu odráží se 98% dopadajícího výkonu odráží se 100% dopadajícího výkonu
UPOZORNĚNÍ: Řada měřicích přístrojů, například i HP8757E, zobrazuje při měření odrazů veličinu ΓdB = +20 log Γ , která by spíše odpovídala termínu „přenos odrazů“
1
B.
Základní zapojení HP8757E generátor
HP8757E
open short GEN
detektor
P1 TEST
směrový můstek HP85027
DUT
DET P2
L=0dB
HP85025
Obr.1 Základní zapojení HP8757E
Základní sestava (frekvenční pásmo určeno generátorem a externími senzory): • • • • •
přeladitelný generátor propojený s HP8757E sběrnicí HP-IB směrový můstek řady HP85027 detektor řady HP85025 kalibry HP8757E
Základní parametry: frekvenční rozsah horizontální rozlišení výstupní parametry dynamický rozsah rozlišitelnost
daný gen. a senzory (např. 10 MHz až 50 GHz) 101, 201, 401 bodů dB, dBm, SWR typ. 60 dB, viz. senzory 0,001 dB
Další funkce: • nulování pro DC mód • měřič teploty • sensitivity resistor
2
C.
Vnitřní zapojení skalárního analyzátoru HP8757E tiskárna
generátor
interface
HP8757E HP-IB display řídící počítač klávesnice A/D A
B
R
DUT HP85025
HP85027
Obr.4 Vnitřní zapojení HP8757E
D.
Detektory řady HP85025
short chopper
ZBS
Cb
27,778 kHz
Rz
napájení kabel k HP8757E
Obr.2 Zapojení detektorů řady HP85025
3
L~10dB
TEST Cb
• • • • • •
ZBS (Zero Bias Schottky) - velmi malá kapacita přechodu kov-polovodič (řádově 101 fF), bariérové napětí přechodu posunuté k 0. přizpůsobovací obvod - odporový ve formě atenuátoru cca 10 dB, využít lze transformační vlastnosti atenuátorů. blokovací kondenzátory - zkrat přes celé pracovní frekvenční pásmo uzavírá VF proud tekoucí diodou. zatěžovací odpor - obvykle kolem 100 kΩ . SS smyčka – uzavírá se přes atenuátor chopper – spínač ovládaný modulačním napětím (obdélníkový průběh se střídou 1:1 a opakovací frekvenci 27, 778 kHz), převede vstupní ss napětí na NF napětí obdélníkového průběhu, zesílí jej a odřízne ss složku. V režimu AC je spínač trvale sepnut.
Hlavní parametry detektorů řady HP85025: frekvenční pásmo GHz konektor útlum odrazů na vstupu typ. dB zvlnění převodní char. typ. dB přesnost měření výkonu typ. dB dynamický rozsah dBm max. vstupní výkon dBm
E.
HP85025A HP85025B HP85025D 0,01-18 0,01-26,5 0,01-50 N SMA 2,4mm ≥20 ≥17 ≥15 ±0,5 ±0,5 +1, -0,5 ±0,1 ±0,1 ±0,1 +16 až -50 v DC módu +16 až -55 v AC módu +20
Směrové můstky řady HP85027
Používají se pro skalární měření odrazů. generátor
50Ω
Cb
Ro
Cb
50Ω 50Ω Cb
k A/D
27,778 kHz
Ro Cb
50Ω
napájení kabel k HP8757E
Obr.3 Zapojení směrových můstků řady HP85027
Mírně modifikované Wheatstoneovy odporové můstky.
4
TEST
Hlavní parametry směrových můstků řady HP85027: HP85027A 0,01-18 APC-7 ≥20 ≥40 ≥8
frekvenční pásmo GHz konektor na bráně TEST útlum odrazů na bráně TEST typ. dB směrovost dB vložný útlum dB max. vstupní výkon dBm
F.
HP85027B 0,01-26,5 3,5mm ≥15 ≥36
HP85027D 0,01-50 2,4mm ≥15 ≥25
+23/±10V
Poměrová měření generátor
HP8757E
A
ATT
B
R
HP85025 DET
atenuátor
open
dělič 1:1
short GEN P1
DUT
TEST
HP85027
DUT
DET P2
HP85025
L=0dB
Obr.5 Zapojení pro poměrové měření přenosu a odrazů
• •
G.
potlačuje i zvlnění v měřicí trase před děličem vhodné pro měření malých průchozích útlumů a útlumů odrazů
Kalibrace a korekce skalárních měření
Kalibrace a korekce skalárních měření je do značné míry problematická záležitost. Při přesném měření odrazů a přenosů je nutné odstranit vliv celé měřicí trasy, a to zejména:
5
• • • • • •
frekvenční závislost výstupního výkonu generátoru útlumy propojovacích vedení frekvenční závislosti převodních charakteristik použitých můstků a detektorů útlumy resp. zisky měřicích atenuátorů, zesilovačů, apod. omezenou směrovost vazby nebo můstku odrazy v měřicí trase
Vektorová kalibrace a korekce – lze odstranit všechny vlivy Skalární kalibrace a korekce – vše kromě vlivu konečné směrovosti a odrazů Skalární měření: • mohou být přes všechna opatření zatíženy viditelnými chybami • nejčastěji zvlnění měřených frekvenčních charakteristik • v některých případech nemusí být SkA pro dané měření vůbec použitelný a je nutné použít vektorový analyzátor • důvodem je to, že při skalární kalibraci lze načíst jen moduly koeficientů odrazu nebo přenosu a bez znalosti fáze není možné provést výpočty korigující vliv odrazů • měřicí senzor musí mít alespoň o 6 dB vyšší směrovost, než je nejvyšší měřená hodnota RL Kalibrace korekce měření přenosu: • místo DUT zapojena propojka s útlumem L = 0 dB • do kalibrace a korekce přenosu lze tedy zahrnout všechny vlivy měřicí trasy kromě odrazů Kalibrace a korekce měření odrazů: • Jako kalibr používá zkrat (SHORT) nebo otevřený konec (OPEN), tedy v obou případech kalibr s Γ = 1 . • Vlivem kalibrace a korekce může vzniknout výrazné zvlnění měřených frekvenčních charakteristik. Řešení: • Nekompromisní řešení tohoto problému je možné jen pomocí VNA a vektorové kalibrace a korekce. • Při výše popsané skalární kalibraci a korekci je možné problém jen více nebo méně potlačit. • Jedním z efektivních řešení je použití poměrového měření. • Často používaným řešením je zapojení doplňkového atenuátoru. Kalibrace HP8757E: • • •
Přístroj podporuje takový postup kalibrace odrazů, kdy je provedena kalibrace zkratem i otevřeným koncem a při korekci je použita střední hodnota obou kalibrací. Tento postup využívá toho, že stojaté vlny v měřicí trase při kalibraci totálním odrazem jsou o 180o posunuty a při korekci se částečně průměrují. Takto korigované měřené průběhy mají o něco menší zvlnění, nicméně toto zvlnění existuje i při měření kalibrů.
6
H.
Použití 100% amplitudové modulace
Jednou z velmi důležitých nastavovacích funkcí HP8757E je výběr detekce typu DC nebo AC: AC detekce - aktivace 100% amplitudové obdélníkové modulace na generátoru a trvalé sepnutí spínače v zesilovači „chopper“. DC detekce - generátor v CW režimu, aktivace zesilovače „chopper“. Typické průběhy signálů:
um modulační napětí t uvf VF signál
t udet detekované napětí
t uac t
det. napětí bez ss složky
Obr. 6 Signály při aplikaci 100% AM 27,778 kHz
Hlavní výhoda použití modulace: • • •
Odstranění offsetů a teplotních driftů zesilovačů. Zlepšení šumových vlastností. Vysoké potlačení vlivu vnějších rušivých signálů.
7
měřený obvod vf generátor
uvf
uac
DUT
DET
udet
modulace 27,778 kHz filtr 27,778 kHz
A/D
pásmová propust
Obr.7 Zapojení měřicí trasy s modulovaným generátorem
Udet šum 1/f pásmová propust fm
frekvence 0
fm
3fm
5fm
Obr.8 Spektrum signálů na výstupu detektoru
AM nelze doporučit pro: • • • •
I.
měření zesilovačů AGC (s řízeným ziskem) – při krátké časové konstantě by smyčka mohla reagovat na modulaci měření velmi úzkopásmových obvodů – modulace rozšiřuje šířku pásma měřicího signálu měření obvodů pod 1 MHz – viz. předchozí bod měření výkonu – při modulaci -3 dB
Měření malých útlumů
Může být zatíženo zvlněním daným odrazy v měřicí trase - řešení: • •
poměrové měření, doplnění atenuátory POZOR na utažení konektorů a ohyb kabelů
8
J.
Měření velkých útlumů
Naráží na omezený dynamický rozsah SkA: • • • • • • • •
K.
teoretický rozsah – až 75 dB (+20 dBm … -55 dBm) v praxi není vhodné se pohybovat těsně u +20 dBm (hranice „damane“) v okolí -55 dBm je již velký šum praktický rozsah 60 dB (+15 … -45 dBm) pomáhá průměrování – AVERAGING – sníží rozkmit šumového napětí, ale zpomalí měření pozor na SMOOTHING – průměruje v časovém oknu, hrozí zkreslení měření někdy lze použít vnější zesilovač vyšší dynamický rozsah mají obvykle VNA (obsahují přijímače typu superhet)
Chyby skalárních měření
Chyby:
- skalární - neurčitosti - vektorové
Chyby skalární: • lze je eliminovat nebo zmenšit kalibrací • zahrnuje frekvenční charakteristiky kabelů, detektorů, generátoru, přechodů • teplotní závislosti detektoru • vnitřní drifty zesilovačů a A/D převodníků • poslední 2 položky potlačuje ZEROING Chyby náhodné: • nelze odstranit kalibrací • například vliv dotažení konektorů nebo ohnutí kabelů • odečet hodnot z grafů – přesněji kurzorem Chyby vektorové: • chyby vlivem odrazů generátoru, konektorů, kabelů, přechodů, měřicích senzorů • plně lze korigovat jen při vektorovém měření • při skalárních měřeních lze tyto chyby jen potlačit: o použití velmi dobře přizpůsobených komponent v měřicí trase o krátké přívodní kabely o atenuátory ve vhodných místech (před můstkem nebo detektorem) o poměrové měření Další vlivy: •
Leakage o parazitní přenos energie o vyzařování energie o indukce vnějších polí o chyby někdy i mnoho dB 9
o většinou způsobené špatnými kontakty, kabely, konektory, otevřenými obvody o lze detekovat dotykem rukou o uplatňuje se zejména při měření velkých útlumů •
Ochrana generátoru o potlačení vlivu DUT na parametry generátoru o odrazy na DUT může způsobit „pulling“ o řešení – atenuátor cca 10 dB, oddělovací zesilovač, izolátor
•
Nestabilita SkA mezi kalibrací a měřením o kvalitní zařízení o častější kalibrace
•
Koaxiální kabely o mění parametry při ohnutí o drahé měřicí kabely, neohýbat po kalibraci
•
Konektory, přechody o opakovatelnost zapojení o po kalibraci rozebírat minimálně
•
SS oddělení o pozor při měření zesilovačů
10
