Měření nelineárních parametrů

Mikrovlnné měřicí systémy Měření nelineárních parametrů A. Popis nelineárních jevů Přenosové charakteristiky obvodů mohou být z mnoha důvodu nelineární. Použité komponenty vykazují závislosti některých parametrů na napětí nebo proudu (např. C = f (u), R = f (i), g m = f (u), apod.), mají nelineární VA charakteristiky. Nejčastěji VF a mikrovlnné obvody používající jakékoliv diody nebo tranzistory. Ale i vlivy nelinearit vznikajících na styků nevhodně použitých kovů v konektorech. Aktivní použití nelineárních jevů - detektory, násobiče frekvence, směšovače. Často ale způsobují nemalé a někdy jen velmi nákladně řešitelné problémy. Každý nelineární obvod generuje více nebo méně všechny nelineární produkty. Jednotlivé typy nelineárních obvodů (zesilovače, směšovače, násobiče frekvence, detektory, apod.) se přitom v podstatě liší jen tím, na který produkt je ten určitý obvod optimalizován. Obvody jsou navrhovány tak, aby požadovaný produkt nebo produkty byly dominantní a všechny ostatní byly co nejlépe potlačeny. V nelineárních obvodech vzniká často obrovské množství nelineárních produktů, a to tím více, čím širší je pracovní pásmo a kolik spektrálních čar je na vstupu. Například v systému CATV (rozvod kabelové TV) s cca 40 analogovými TV kanály spadá do 1 kanálu až několik set IM produktů. řádu a až několik tisíc produktů. řádu. Příliš vysoké IM produkty jsou v případě analogových TV kanálů viditelné jako velmi nepříjemné šikmé proužky na obraze. V případě digitálně přenášené TV zvyšují chybovost přenosu. Typy produktů: nevznikají nové frekvence - komprese, křížová modulace vznikají nové frekvence - intermodulační produkty, vyšší harmonické Popis nelinearity pomocí polynomiální aproximace: 1 uout ( t) = k1 uin( t) + kuin( t) + kuin( t) +... B.1 1

Vstupní signál - součet spektrálních čar, použito zjednodušení: a u = ω + ϕa, b ω + ϕb in at = bt, c = ω ct + ϕc B. ( t + ϕ ) + B cos( ω t + ϕ ) + C cos( ω t + ) = Acos a + B cos b C cos c ( t) = Acos ω ϕ + B. a a b b c c Produkty 1. řádu 1 k u in t) = k ( Acos a + B cosb + C cos ) B.4 1 ( 1 c Produkty. řádu k ku in ( t) = ( A + B + C ) + detekce B.5 + k [ AB cos( ± a ± b) + AC cos( ± a ± c) + BC cos( ± b ± )]+ IM pr. typu a ± b B.6 c ( A cos a + B cos b C cos c) k + +. harm., typ a B.7 Produkty. řádu k ku in ( t) = ( A cosa + B cosb + C cosc) +. harm., typ a B.8 4 k + 4 A B cos(a ± b) + A C cos(a ± c) + B + C Acos(c ± a) + C B cos(c ± b) Acos(b ± a) + B C cos(b ± c) + + IM pr.. ř. typu a ± b B.9 + k ABC cos( ± a ± b ± c)+ IM pr.. ř. typu ± a ± b ± c B.10 4 k + ( A cos a + B cosb + C cos ) + 4 c + komprese zisku B.11 k ( AB cos a + AC cos a + BA cosb + BC cosb + CA cosc + CB cos ) c křížová modulace B.1

Definice bodů -1dB komprese Pout [dbm] Psat P-1dBout 1dB P-1dBin Pin [dbm] Obr. B.1 Definice bodů -1dB komprese U obvodů s kladným ziskem (zejména u zesilovačů) vztaženy k výstupu. U obvodů se záporným ziskem (např. směšovače) vztaženy ke vstupu. Definice bodů zahrazení IP P out [dbm] IP a IP IM P -1dBout 1a IM typu ±a ±b P outq Q a O IMQ O aq P IMQ P aq 6dB P -1dBin P in [dbm] Obr. B Definice bodů zahrazení IP vztažených k výstupu

Průsečíky extrapolovaného průběhu signálu 1. harmonické 1a s extrapolovanými průběhy příslušných IM nebo harmonických produktů. P out [dbm] IP out IP out 1a P outr R IM IM O IMR IP in IP in P in [dbm] P IMR Obr. B. Porovnání bodů zahrazení IP a IP Pro funkci VF systémů jsou důležité dostatečné hodnoty odstupů nelineárních produktů vůči pracovním výstupním výkonům obvodů. P P O IM IM = IP ( IP Pout ) = Pout IP B.1 = IP ( IP Pout ) = Pout IP B.14 IM = Pout PIM = Pout (Pout IP) = IP Pout B.15 O = ( ) P B.16 IM Pout PIM = Pout Pout IP = IP out Příklad: Mikrovlnný zesilovač má změřené hodnoty IP = 17 dbm a IP = 15 dbm, obě měření byla provedena pro IM produkty a vzhledem k výstupu zesilovače. Jaké budou výkony IM a harmonických produktů a odstupy těchto produktů při pracovním výstupním výkonu zesilovače P out = 8 dbm? 4

Výsledky byly získány dosazením do vztahů B.1 až B.16 při použití výše uvedené korekce pro produkty typů a a a, vypočtené hodnoty jsou v Tab.B.1. P out = 8 dbm, IP = 17 dbm, IP = 15 dbm P IMx. [dbm] O IMx. [dbm] P xa. [db] O xa. [db] IMx x= - 5-9 1 IMx x= -54 46-6,5 55,5 Tab. B.1 Vypočtené hodnoty výkonů a odstupů IM produktů B. Měření nelineárních produktů a) Měření detektorů Jednoduché měření, konstanta k ale není konstantní, s rostoucími amplitudami A, B, C klesá. Důvodem je průběh VA charakteristiky použitých detekčních diod, viz. Obr. B.4. I d I d ~V d V det ~ (P in) 1/ I d ~V d V det ~ P in V d Obr. B.4 VA charakteristika detekční diody ZBS Převodní charakteristiky detektorů U det= f ( Pin) je nutné měřit v širokém rozsahu vstupních výkonů - od šumového prahu v okolí P in 50 dbm až k horní mezi P in + 0 dbm. generátor selektivní μ-voltmetr MOD P in DET V de t proměnný atenuátor Obr. B.5 Zapojení pro měření převodních charakteristik VF detektorů 5

1 0.1 0.01 Ud [V] 0.001 0.0001 0.00001 0.000001-55 -45-5 -5-15 -5 5 15 P vf = P in [dbm] Obr. B.6 Typická naměřená převodní charakteristika VF detektoru b) Měření vyšších harmonických a odpovídajících IP c) Měření IM produktů a odpovídajících IP Základem těchto měření jsou vždy a více generátorů, jejichž výstupy jsou sloučeny do 1 výstupu, viz. Obr. B.7. generátor 1 SpA generátor f 1 DP1 f DP P in DUT P out ATT1 ATT generátor n sčítací obvod f n DPn Obr. B.7 Zapojení pro měření IM parametrů 6

Sčítací obvody impedanční přizpůsobení, vysoká izolace mezi vstupy, širokopásmové, frekvenční multiplexery Vstupní spektrum složené z potřebného počtu spektrálních čar s obvykle stejnou amplitudou A = B = C =.... Pomocí ATT1 lze nastavit požadovaný výkonový pracovní bod DUT. Spektrální analyzátor - umí dostatečně selektivně vybrat měřenou složku příslušného řádu a typu. Hodnoty IPx lze určit výpočtem z mírně upravených vztahů B.1 až B.16, nebo extrapolací naměřených závislostí. d) Měření komprese zisku V případě měření obvodů pracujících na stejné vstupní i výstupní frekvenci (např. u zesilovačů), lze použít skalární analyzátor v režimu poměrového měření, dle Obr. B.8. generátor HP8757E A B R ATT HP8505 DET atenuátor dělič 1:1 P out P in DUT DP DET HP8505 L=0dB Obr. B.8 Zapojení pro měření bodů -1dB komprese u zesilovačů e) Měření křížové modulace Modulace zdrojového signálu, měření obsahu modulačních produktů v cílovém signálu. 7

f) Měření nelineárních parametrů generátorů MOD GEN VCO MOD L A 0 db ATEN 1% 0 db RF OUTPUT DET řídící řídící obvod CW Δ f START U det U n STOP POWER LEVEL Obr. B.9 Blokové schéma VF a mikrovlnných generátorů Všechny výstupní obvody generují nelineární produkty, zejména vyšší harmonické, obvod ALC má omezený dynamický rozsah. Nutné měřit závislost jednotlivých harmonických složek (minimálně 1.,. a.) na nastaveném výstupním výkonu P outn. g) Měření směšovačů Funkce optimalizována na generaci produktů. řádu typu potlačeny všechny ostatní produkty. Důležité parametry: ± a ± b s tím, že jsou co nejvíce L = P / P Konverzní ztráty k RF IF L k = f ( P LO ) Závislost L k na výkonu místního oscilátoru L = P / P LO RF LO LORF Izolace mezi branou LO a RF, LORF L = P / P měřený na bráně RF LO IF LO LOIF Izolace mezi branami LO a IF, LOIF L = P / P měřený na bráně IF RF IF RF RFIF Izolace mezi branami RF a IF, RFIF měřený na bráně IF P je výkon na frekvenci f LO P je výkon na frekvenci f LO P je výkon na frekvenci f RF P IF = f ( P RF ) Umožňuje určit závislost L k na vstupním výkonu 8

Bod -1dB komprese, lze určit z L k = f ( P RF ) jako hodnotu P RF, pro kterou vzrostou konverzní ztráty o 1dB P 1dB PIM IF Parazitní IM produkty. řádu ( f RF frf1) ± flo ( f RF frf ) ± flo nebo 1 jsou definovány na výstupu IF pro vstupní signály s frekvencemi f RF1 a f RF IP RF, IP IF Jsou dány průnikem extrapolované závislosti produktu ± f RF ± f LO na výkonu vstupního signálu P RF1 nebo P RF s extrapolovanou závislostí výkonu IM složek. řádu ( f RF frf1) ± flo nebo ( f RF1 frf ) ± flo. Hodnota IP RF je vztažena ke vstupu směšovače, hodnota IP IF je vztažena k jeho IF výstupu. Tyto hodnoty se navzájem liší o L k. P IF [dbm] IP IF ±f RF±f LO P IF S IM O IM P IMIF IP RF P RF [dbm] Obr. B.10 Měření IP směšovačů Při znalosti IP lze vypočítat výkony nežádoucích IM složek a jejich odstupy na výstupu IF: IP = IP L B.17 IF RF k IM IF = IPIF ( IPRF PRF ) = PRF IPRF Lk B.18 P O = P P = P (P IP L ) B.19 IM IF IF IM IF IF RF RF k 9

generátor 1 SpA DP1 ATT1 RF f RF P RF IF f IF LO P IF generátor f LO DP P LO ATT B.11 Zapojení pro základních parametrů měření směšovačů Měření bodu -1dB komprese směšovačů PRF 1 db Měření závislosti P IF = f ( P RF ), popřípadě L k = f ( P RF ) - z nich lze určit bod -1dB komprese směšovače, vztažený ke vstupnímu výkonu P RF. Měření IM, IP směšovačů generátor 1 SpA DP1 f RF1 generátor f RF DP sčítací obvod ATT1 RF P RF IF f IF LO f LO PIF generátor ATT DP P LO Obr. B.1 Zapojení pro měření IM a IP směšovačů Poznámka: Vzhledem k tomu, že obě složky aproximaci: a IP jsou stejného. řádu, lze použít PRF 1 db IP P 1 + db pro diodové směšovače na nízkých frekvencích RF db 15 IP P 1 + db pro diodové směšovače na vysokých frekvencích RF db 10 IP P 1 + db pro směšovače na bázi FET RF db 10 10