Vektorová m ení ve vysokofrekven ní technice. Libor Sláma

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Vektorová m ení ve vysokofrekven ní technice. Libor Sláma"

Ivo Havel
před 6 lety
Počet zobrazení:

1 Vektorová m ení ve vysokofrekven ní technice Libor Sláma 21. kv tna 2007

2 Obsah 0.1 Problematika vysokých kmito t S-parametry (rozptilové parametry) P ístroje s vektorovou korekcí Rozd lení a a b vln Referen ní rovina Chyby m ení zp sobené p ívodním vedením M ící systémy Systémy s konverzí kmito tu (superhety) Skalární systémy Výhody a nevýhody jednotlivých systém :

3 OBSAH Problematika vysokých kmito t Pokud se p i realizaci obvodu p ibíºí délka vlny rozm r m obvodu (nebo rozm r m jeho stavebních prvk m), musíme uvaºovat dal²í jevy, které p i klasické analýze (nízkofrekven ní) neuvaºujme. Je to nap íklad transformace impedance po vedení, která zp sobí, ºe otev ený konec se po vedení ve vzdálenosti λ g /4 transformuje na zkrat. Tento problém bude popsán v následujícím textu. Pokud chceme p ipojit nap íklad tranzistor do obvodu VF vedení ideáln (výkonové p ízp - sobení), musíme nejd íve znát amplitudu a fázi jeho S parametr (rozptilové parametry) a amplitudu a fázi S parametr p ípojných vedení. Jedin pak je moºné dosáhnout ideálního p izp sobení. 0.2 S-parametry (rozptilové parametry) M jme lineární asov invariantní dvojbran, na jehoº branách jsou p ipojeny generátory s impedancí Z 0 (50Ω). Uvaºujme dopadající vlnu na brán 1, v obrázku 1. obrázek 1. Tato vlny vybudí odraºenou vlnu a vlnu procházející obvodem. Zave me nyní zna ení stéjné, jako v obrýzku 1. Dopadající vlna je ozna na indexem a, odraºená indexem b. Celou situaci m ºeme potom popsat následujícími rovnicemi: b 1 = a 1 S 11 + a 2 S 21 b 2 = a 2 S 22 + a 2 S 12, kde význam jednotlivých parametr je následující: S 11 Náp ový koecient odrazu na brán 1 S 12 Zp tný zisk S 21 Zisk S 22 Nap ový koecient odrazu na brán 2. V praxi se S parametry udávají v decibelové mí e. Odraz vynikne v²ude tam, kde je v obvodu n jaká diskontinuita (odyb koaxiálního vedení, poru²ení opletení, atd). V extrémním p ípad (rozpojený konec) se nap ová vlna odrazí s plnou amplitudou. Protoºe se jedná o idální otev ený konec, nete e v tomto

4 OBSAH 3 míst ºádný proud. Pokud uváºíme, ºe vlnová impedance je pom r nap tí ku proudu, odpovídá toto místo nekone né impedanci. Nap. p ivedená nap ová vlna a1 vyvolá vlnu b1 a ta se ²í í zp t do zdroje. Pokud se jedná o výkonovou aplikaci, mohou být následky zni ující. Obrázek 2 názorn ukazuje, jak se transformuje impedance zkratu po obvodu Smithova diagramu. P vodní zkrat vyzna ený ernou te kou se postupn transformuje po obvodu Smithova diagramu tak, ºe ve vzdálenosti λ g /4 se jeví jako rozpojený konec. obrázek 2 a 3 (transformace impedance na vedení 2 zkrat, 3 induk nost 1nH). Obdobn to platí pro libovolnou impedanci. Ta se transformuje po kruºnici konstantní amplitudy. Na obrázku 3 je zobrazena transformace pro induk nost 1nH na frekvencí 1GHz. Pokud poºadujeme dokonalé p izp sobení, musíme zná vektor impedance i referen ní rovinu m ení.

5 OBSAH P ístroje s vektorovou korekcí Pokud chceme m it impedanci (S parametry) obvodu, musíme být schopni: vyvázat dapadající a odraºenou vlnu a následn ur it jejich fázový posuv ur it referen ní rovinu m ení odstranit chyby m ení zp sobené p ívodním vedením Rozd lení a a b vln V mikrovlnné technice existují obvody, které umoºnují sm rov odbo it signál. Jedná se o princip s ítání a od ítání fázov posunutých vln. Jednoduchou odbo nici lze vytvo it z úsek vedení dlouhých λ g /4. Na obrázku 4 je 2 p í kový sm rový len. jednotlivé p í ky jsou tvo eny práv úseky délky λ g /4. obrázek 4. Tím je zaji²t no vyvázání odraºenách sloºek nap tí (b). Velikost koecient a je dána velikostí generovaného nap tí a zp esn no kalibrací Referen ní rovina Denice referen ní roviny se provádí vloºením denovaných kalibr naj ast ji do roviny konektor (p ípojné místo okolních obvod ). Kalibra ní teorie je pom rn rozsáhlá a záleºí na typu m ícího systému. Jen pro p íklad lze uvést metodu S-O-L (Short-Open-Load). Postupn se do kalibra ní roviny vkládají známé impedance a podle nich se ur í referen ní fázové posuvy obou vln na m ených frekvencích. Vloºená p izp sobená koncovka zkalibruje ztráty a odrazy kabel a konektor p ípojných vedení. Kalibra ní údaje se nahrají do pam ti a jsou pouºívány p i výpo tu v závislosti na m ícím systému. V t²ina moderních m ících p ístroj umoº uje dodate né posouvání referen ní roviny podle poºadavk. Je tedy moºné se posouvat nap. aº na ipy zesilova. Je p i tom v²ak nutné znát parametry p ípojného vedení (p ípadn induk nosti kontaktovacích drátk ), coº m ºe být problematické Chyby m ení zp sobené p ívodním vedením e²ení problému bylo nazna eno v p edchozím odstavci. Do kalibra ní roviny se vloºí nap. otev ený konec, který má v ideálním p ípad koecient nap ového odrazu 1. Dopadající vlna vyslaná z generátoru a1 se vlivem konektor a kabel

6 OBSAH 5 zeslabí na vlnu a1' a odraºená vlna b1' se ²í í zp t p ez konektory a kabely m ícího vedení a dopadne na m ící ústrojí s velikostí b1. Podíl p vodní vlny a1 a b1 dají dvojnásobný útlum m ící trasy. Ten se uloºí do pam ri p ístroje. Obdobn pro zbylé kalibry a vypo te se i fázová chyba. 0.4 M ící systémy Pro m ení s vektorovou korekcí byly vyvinuty a prosadily se p edev²ím dva systémy. Je to systém s frekven ní konverzí a skalární systém Systémy s konverzí kmito tu (superhety) Známé zapojení superhetu bylo vyuºito tak, ºe se signály a a b sm ²ují na zpracovatelný kmito et. Zárove se signál ²í í testovacím kanálem. Situace je znázorn na na obrázku 5. obrázek 5. Testovací signál je rozmítán v poºadovaném pásmu kmito t a jeho úrove je korigována tak, aby byla konstantní. Následuje p epína pro výb r m ené brány. Signál se dále d lí do testovací a referen ní v tve ve stejném pom ru. Obvod DC1 vyváºe odraºený signál od 1. portu DUT (b1) a p ivede ho na sm ²ova. Procesor tento signál navzorkuje a ur í jeho amplitudu a fázi. Obdobn pro druhou v tev (sw1 poloha 2). Pro p esn m ení je t eba zajistit aby se testovací i m ící signál stejnou cestou (nebo to bylo p i výpo tu zaji²t no). U prvních p ístroj se tento poºadavek dostavoval mechanickým prodluºováním vedení, av²ak problémy nastávaly u jiných typ vedení, neº byly dodávány k p ístroji. P esn ji se p edpokládalo, ºe se m ení bude p ovád t na vlnovodném vedení. To má bohuºel jiné parametry neº nap. mikropáskové struktury vedení. Proto se nedaly provád t posuvy referen ní roviny, atd.

7 OBSAH Skalární systémy Skalární systémy (6 - porty) m ící vektorovou informaci pracují s vícebrany. Nej ast ji se vyuºívají obvody typu hybridní len. Na obrýzku 6 je principiální schema zapojení. obrázek 6. Na 1. brán je p ípojen rozmítaný generátor. ƒást jeho nap tí je p ivedena na DUT a vyvolá obraºenou vlnu b1. Oba signály procházejí postupn r znými typy obvod (charakterizujících r zné koecienty odrazu a fázové posuvy) a jsou postupn p ivád ny na m i e výkonu P1 - P4. Ty m í moduly koecient odrazu. Takto navrºená struktura je lineární. Pokud tedy vyjád íme libovolný výkon jako lineární kombinaci jiného a dostaneme soustavu 3 kruºnicv komplexní rovin, které se v ideálním p ípad protínají v jednom bod. Tento bod odpovídá hledané impedanci (obrázek 7). obrázek 7.

8 OBSAH 7 St edy kruºnic je ideální volit co nejdále od sebe. Tím bude zaji²t na maximální p esnost. Hledání pr se íku se provádí pomocí numerických metod. T i komplexní rovnice se mohou rozd lit na 3 reálné a 3 komplexní. Rychlé e²ení umoºnila aº po íta ová technika. 0.5 Výhody a nevýhody jednotlivých systém : Systémy s kmito tovou konverzí: V sou asné dob asi nejroz²í en j²í systémy. Jejich výhodou je selektivita na m ené frekvenci. To je zaji²t no strukturou superhet, která umoº uje zapojení NF ltr, které mohou mít obrovskou selektivitu. Systémy disponují velkou dynamika m ení. Jsou v²ak hardwareov náro né a drahé. 6 - porty: Hlavní nevýhodou je poºadavek na linearitu celého obvodu a dále nutnost harmonicky istého zdroje. Tento poºadavek je zp soben vlastnosí m i výkonu, které jsou zcela neselektivní a m í výkon ve²kerého dopadajícího výkonu. Výhodou vystému je velká ²í ka pásma, která závisí na ²í ce pásma jednotlivých hybridních len. Dal²ím problémem m ºe být stabilita e²ení.

Podobné dokumenty

Skalární sou in. Úvod. Denice skalárního sou inu

Skalární sou in. Úvod. Denice skalárního sou inu Skalární sou in Jedním ze zp sob, jak m ºeme dva vektory kombinovat, je skalární sou in. Výsledkem skalárního sou inu dvou vektor, jak jiº název napovídá, je skalár. V tomto letáku se nau íte, jak vypo