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 přenos výkonu G = P / P 2 1 GdB = P2 dbm P1 dbm kde P 2 je výkon na výstupu a P 1 na vstupu obvodu modul koeficientu odrazu útlum odrazů Γ = s = b / a i=1,2,3 Γ db ii = 20log i Γ i Útlum odrazů vlny: Γ Γ db - udává o kolik db je výkon odražené vlny nižší, než je výkon dopadající Γ db 0,01 40 odráží se 0,01% dopadajícího výkonu 0,1 20 odráží se 1% dopadajícího výkonu 0,2 14 odráží se 4% dopadajícího výkonu 0,3 10,45 odráží se 9% dopadajícího výkonu 0,5 6 odráží se 25% dopadajícího výkonu 0,8 1,9 odráží se 64% dopadajícího výkonu 0,99 0,09 odráží se 98% dopadajícího výkonu 1 0 odráží se 100% dopadajícího výkonu UPOZORNĚNÍ: Řada měřicích přístrojů, například i HP8757E, zobrazuje při měření odrazů veličinu Γ = +20log Γ, která by spíše odpovídala termínu přenos odrazů db 1
B. Základní zapojení HP8757E generátor HP8757E open GEN TEST směrový můstek HP85027 P 1 short DUT L=0dB P 2 detektor DET 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 display HP-IB řídící počítač klávesnice A/D A B R DUT HP85027 HP85025 Obr.4 Vnitřní zapojení HP8757E D. Detektory řady HP85025 chopper short ZBS L~10dB C b TEST napájení 27,778 khz R z C b kabel k HP8757E Obr.2 Zapojení detektorů řady HP85025 3
ZBS (Zero Bias Schottky) - velmi malá kapacita přechodu kov-polovodič (řádově 1 10 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 k Ω. 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: HP85025A HP85025B HP85025D frekvenční pásmo GHz 0,01-18 0,01-26,5 0,01-50 konektor N SMA 2,4mm útlum odrazů na vstupu typ. db 20 17 15 zvlnění převodní char. typ. db ±0,5 ±0,5 +1, -0,5 přesnost měření výkonu typ. db ±0,1 ±0,1 ±0,1 dynamický rozsah dbm +16 až -50 v DC módu +16 až -55 v AC módu max. vstupní výkon dbm +20 E. Směrové můstky řady HP85027 Používají se pro skalární měření odrazů. generátor 50Ω 50Ω 50Ω k A/D R o C b C b C b 27,778 khz C b R o 50Ω TEST napájení kabel k HP8757E Obr.3 Zapojení směrových můstků řady HP85027 Mírně modifikované Wheatstoneovy odporové můstky. 4
Hlavní parametry směrových můstků řady HP85027: HP85027A HP85027B HP85027D frekvenční pásmo GHz 0,01-18 0,01-26,5 0,01-50 konektor na bráně TEST APC-7 3,5mm 2,4mm útlum odrazů na bráně TEST typ. db 20 15 15 směrovost db 40 36 25 vložný útlum db 8 max. vstupní výkon dbm +23/±10V F. Poměrová měření generátor HP8757E A B R ATT HP85025 DET atenuátor dělič 1:1 GEN open short P 1 DUT HP85027 TEST DUT L=0dB P 2 DET HP85025 Obr.5 Zapojení pro poměrové měření přenosu a odrazů potlačuje i zvlnění v měřicí trase před děličem vhodné pro měření malých průchozích útlumů a útlumů odrazů G. 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 180 o 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: u m modulační napětí u vf t VF signál u det t detekované napětí t u ac 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
vf generátor u vf měřený obvod DUT DET u det u ac modulace 27,778 khz filtr 27,778 khz A/D pásmová propust Obr.7 Zapojení měřicí trasy s modulovaným generátorem U det šum 1/f pásmová propust f m 0 f m 3f m 5f m frekvence Obr.8 Spektrum signálů na výstupu detektoru AM nelze doporučit pro: 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 I. 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: 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) K. 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