CC BY
135Российская серия анализаторов спектра СК4-БЕЛАН:
от 2,2 к 44 ГГц
Анатолий БЕЛЬЧИКОВ, д. т. н.
Сергей БЕЛЬЧИКОВ, к. т. н.
ser.beltchicov@elvira.ru
Начиная с середины 80-х годов и до середины 90-х прошлого века в СССР, а затем в России, в силу сложившихся обстоятельств разработки радио-измерительной аппаратуры, и, в частности, анализаторов спектра и панорамных измерительных приемников практически не велись.
Наиболее достойные анализаторы спектра СВЧ диапазона С4-85, а затем С4-98 выпускались лишь ограниченными партиями. Данные анализаторы были изначально задуманы как аналог широко известного СВЧ анализатора фирмы Hewlett-Packard 8566B (100-22 ГГц), который, несомненно, являлся новым словом в приборостроении, но только... в начале 80-х годов. В начале 90-х он был снят с производства и замещен новыми поколениями приборов Hewlett-Packard/Agilent (серией 856хЕ/ЕС, а затем PSA). У других известных именитых производителей флагманские линейки анализаторов спектра также последовательно менялись: так, у компании Rohde & Schwarz сначала выпускались СВЧ анализаторы серии FSM, затем FSE и, наконец, сегодня выпускаются FSU; у компании Advantest на смену анализаторам R3271A пришел сначала R3273, а затем современный R3681A. В эволюции серий анализаторов спектра западных производителей отчетливо прослеживались следующие тенденции: увеличение разрешающей способности (сужение минимального фильтра ПЧ от 100/10 Гц до 1 Гц), уменьшение абсолютной погрешности амплитудных измерений (от +3 дБ до +0,6 дБ и ниже), снижение уровня фазовых шумов (от типовых значений -100 (105) до -120 (123) дБн/Гц на отстройке 10 кГц от несущих порядка 1 ГГц), повышение интермодуляционной динамики (от значений ИП3 (TOI) в +15 дБм до значений +25 (27) дБм), увеличение скорости измерений в целом. Таким образом,
в то время как за 15 лет за рубежом успели поменяться 3 поколения анализаторов спектра, в нашей стране новых разработок данного типа приборов фактически не велось вовсе. Это же относилось к панорамным измерительным приемникам еще в большей степени: отечественные приборы РСК4-86/87/ 88/89 до 17,85 ГГц в производство вообще не передавались, а широко известные на территории бывшего СССР селективные микровольтметры 8МУ производились только в ГДР. К середине 90-х годов парк отечественной измерительной техники исчерпал свой ресурс на 80-90%. Ниша на рынке отечественной ра-диоизмерительной аппаратуры, достойной по качеству и приемлемой по цене, оказалась фактически пуста. Поэтому в 1998 году руководством ЗАО ПФ «ЭЛВИРА» было принято решение приступить к созданию на современной импортной элементной базе конкурентоспособной радиоизмерительной аппаратуры.
В 1998 году номенклатура радиоизмери-тельной продукции ЗАО ПФ «ЭЛВИРА» была представлена одним прибором — экономичным анализатором спектра СК4-БЕЛАН для диапазона частот 9 кГц-2200 МГц. Сегодня СК4-БЕЛАН достаточно хорошо известен на рынке и пользуется устойчивым спросом. По сравнению с отечественными приборами, СК4-БЕЛАН имел ряд существенных достоинств: он отличался малыми габаритами, низкой стоимостью и приличными параметрами, а главное — принципами построения, которые были максимально прибли-
жены к западным аналогам. Дело в том, что в бывшем Советском Союзе, в основном, производились анализаторы спектра без входного аттенюатора. Это не позволяло регулировать уровень входного сигнала на смесителе и, соответственно, существенно ограничивало динамический диапазон прибора. Кроме того, во многих отечественных приборах первый гетеродин не был синтезированным и, как следствие, имел девиацию по частоте около 10 МГц. Соответственно, начальная граница частотного диапазона не могла быть ниже 10 МГц. В тракте ПЧ использовались кварцевые фильтры, что затрудняло, с одной стороны, реализацию фильтра с полосой пропускания меньше 1 кГц, а с другой — их регулировку. Избирательность таких фильтров по уровням -60/-3 дБ была, как правило, не лучше 12:1 или 15:1. В СК4-БЕЛАН был использован синтезированный гетеродин
2-4 ГГц, реализованный на базе современных синтезаторов прямого синтеза. В результате был достигнут шаг перестройки 10 Гц, а диапазон частот начинался от 9 кГц. Были достигнуты достойная чувствительность прибора (собственный уровень шумов -115 дБм в полосе 1 кГц во всем диапазоне частот прибора) и малый уровень комбинационных помех (около -70 дБн). Был реализован входной аттенюатор 50 дБ, улучшающий динамический диапазон. Кроме того, в анализаторе спектра СК4-БЕЛАН впервые в России был реализован полностью цифровой тракт ПЧ, что позволило улучшить избирательность по уровням -60/-3 дБ до 5:1. Теоретически
Рис. 1. Динамический диапазон на экране прибора, обусловленный динамикой цифровых фильтров и их избирательностью
была реализована Гауссова форма фильтра с коэффициентом прямоугольности 4:1. К недостаткам СК4-БЕЛАН можно было отнести низкий уровень фазовых шумов, который, впрочем, по меркам отечественного приборостроения можно было считать приемлемым (порядка -100 дБн/Гц при отстройке от несущей 500 МГц на 20 кГц), а также не развитое, по сравнению с западными аналогами, меню.
Именно на устранении этих недостатков было сосредоточено внимание инженеров ЗАО ПФ «ЭЛВИРА» в последующие годы. Следует сказать, что с 1999 года одним из направлений деятельности ЗАО ПФ «ЭЛВИРА» стала поставка в Россию импортных радио-измерительных приборов вторичного рынка и их последующее сервисное обслуживание. Благодаря данному направлению у наших инженеров появилась возможность наглядно изучать архитектуру, а также интерфейс анализаторов спектра производства компаний Rohde & Schwarz, Agilent (Hewlett-Packard), Anritsu, Advantest, Tektronix самого разного уровня (от низкостоимостной категории до класса high-end), выявлять преимущества и недостатки различных схем построения. Плодом кропотливой работы стал анализатор спектра нового поколения СК4-БЕЛАН 32 на диапазон частот 9 кГц-3200 МГц, серийно выпускаемый с 2004 года и сертифицированный Госстандартом РФ в 2005 году, аналоги которого в России сегодня отсутствуют. К достоинствам прибора следует отнести: низкий уровень собственных шумов (-150 дБм в полосе 1 Гц на частоте 1 ГГц), низкий уровень фазовых шумов (-110 дБн на 10-килогерцо-вой отстройке от несущей 500 МГц), высокую разрешающую способность (возможность установки фильтра ПЧ от 1 Гц до 1 МГц с кратностью шага 1, 3, 10), высокую дина-
мику для интермодуляционных искажений
3-го порядка (типичное значение ИП3 +10 дБм), высокую избирательность фильтров (не хуже 5:1), наличие различных детекторов (пикового, квазипикового, СКЗ, выборки), современное развитое меню на базе Windows 98, а также умеренную, по сравнению с западными аналогами, цену. В СК4-БЕЛАН 32, как и в СК4-БЕЛАН, реализовано трехкратное преобразование частоты с использованием смесителя, работающего на 1-й гармонике гетеродина. В качестве гетеродина используется
ЖИГ-генератор с диапазоном частот 4-8 ГГц, стабилизируемый при помощи опорного источника 100 МГц. В первой половине 2006 года планируется начать выпуск СК4-БЕЛАН 32 с новым термостатированным опорным источником 100 МГц, имеющим сверхнизкие фазовые шумы (-125 дБн/Гц на отстройке 100 Гц, -150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц и-170 дБн/Гц на отстройке 10 кГц). Это должно существенно улучшить фазовые шумы анализатора спектра СК4-БЕЛАН 32 в целом. В качестве опции для СК4-БЕЛАН 32 сегодня предлагается следящий генератор, позволяющий превратить анализатор спектра в прибор для скалярного анализа четырехполюсников.
В 2005 году на базе платформы БЕЛАН 32 нашими инженерами был разработан полнодиапазонный преселектор 9 кГц-3,2 ГГц, состоящий из 11 фильтров, коммутируемых в зависимости от выбранного диапазона частот синхронно с разверткой анализатора. В блоке преселектора также установлен предварительный усилитель, позволяющий снизить собственный уровень шумов прибора на 10-12 дБ (до значения в -160 дБм на частоте 1 ГГц). Блок преселектора/предварительно-го усилителя превращает анализатор спектра в панорамный измерительный приемник типа П5 (по отечественной классификации), который не имеет аналогов на российском рынке. Аналогичные измерительные приемники западных производителей (Rohde & Schwarz) оказываются дороже по цене, как минимум, в два раза. Сертификацию измерительного приемника П5-БЕЛАН 32 планируется завершить в первом полугодии 2006 года. Кроме того, в конце 2005 года наша компания завершила разработку малогабаритного
-70 -60 -50 -40 -ЗО -20 -10 О
Уровень на смесителе (дБм)
Рис. 3. Динамический диапазон СК4-БЕЛАН 32
измерительного приемника П5-БЕЛАН 32М (также с полнодиапазонным преселектором), который не имеет аналогов ни на российском, ни на мировом рынке. Его сертификация будет проходить параллельно с сертификацией лабораторного прибора П5-БЕЛАН 32.
Значительные усилия в 2005 году были приложены к тому, чтобы на базе анализатора спектра СК4-БЕЛАН 32 выйти в сантиметровый диапазон частот. На второй квартал 2006 года запланировано начало серийного
выпуска моноблочного анализатора спектра СК4-БЕЛАН 220. Как видно из названия, это будет анализатор спектра, работающий по первой гармонике гетеродина (а не на гармо-никовых смесителях, как отечественные анализаторы С4-85, С4-98 или импортные приборы типа Agilent 856xE/EC), с диапазоном частот до 22 ГГц. Благодаря принципу фундаментального смешения и, следовательно, малым потерям в преобразовании, ожидаются хорошие показания чувствительности:
средний уровень шумов на частоте 22 ГГц должен составить не более -140 дБм в полосе ПЧ 1 Гц. Прибор будет оснащен преселек-тором с ЖИГ-перестраиваемой головкой для диапазона частот 2,7-22 ГГц, что позволит ослабить помехи по зеркальным каналам приема на 70-75 дБ. В качестве гетеродина будет использоваться ЖИГ-генератор 2-12 ГГц, стабилизируемый при помощи малошумящего опорного источника 100 МГц. Благодаря улучшению подавления гетеродина в первом смесителе (до 35-40 дБ), а также уменьшению фазовых шумов прибора в ближней зоне, при наличии фильтра ПЧ 1 Гц с коэффициентом прямоугольности 5:1, ожидается, что начальную границу частотного диапазона СК4-БЕЛАН 220 можно будет отодвинуть в район 100 Гц и даже 10 Гц. До конца 2006 года ЗАО ПФ «ЭЛВИРА» планирует внести СК4-БЕЛАН 220 в Госреестр. Для анализатора спектра СК4-БЕЛАН 220 уже разработана не имеющая аналогов в России логопериодическая антенна с диапазоном частот 1-26,5 ГГц. Антенна имеет КСВН < 2, линейную поляризацию, коэффициент усиления 8 дБ, а также малые габариты (210x290 мм) и вес (менее 1 кг). В настоящее время антенна проходит испытания по внесению в Госреестр.
В результате анализа различных схем построения современных анализаторов спектра, нашими инженерами был сделан вывод, что анализатор спектра сантиметрового диапазона лучше всего строить на основе
Таблица. Характеристики СК4-БЕЛАН 32
Частотные характеристики Амплитудные характеристики
Диапазон рабочих частот 9 кГц-3,2 ГГц Диапазон измерения уровней от +30 дБм до -135 дБм
Минимальный шаг перестройки 1 Гц Ошибка измерения уровня не хуже ±1,0 дБ в диапазоне рабочих частот
Опорный источник 10 МГц, температурная стабильность температурная стабильность ±2х10-8 старение ±1х10-7/год Неравномерность АЧХ не хуже ±1,5 дБ в диапазоне рабочих частот
Входной аттенюатор от 0 до 50 дБ с шагом 10 дБ
I Средний уровень отображаемых шумов входной аттенюатор 0 дБ, ФПЧ 1 Гц
Полосы обзора нулевая полоса обзора от 10 Гц/деление до 320 МГц/деление точность установки ±0,5% полосы Частота Значение (дБм)
Частотомер Разрешение 1 Гц Чувствительность не хуже -70 дБм 9 кГц -150
100 кГц -148
Скорость развертки При полосе обзора >100 Гц: для ФПЧ >300 Гц от 50 мсек до 6000 сек для ФПЧ <300 Гц от 50 мсек до 100 ксек 1 МГц-1 ГГц -150
1-2 ГГц -148
Разрешение полосы ПЧ По уровню -3 дБ: 1 Гц—1 МГц с кратностью шага 1, 3, 10 По уровню -6 дБ: 200 Гц, 9 кГц, 120 кГц, 1 МГц 2-3,2 ГГц -145
| Точка компрессии 1дБ (двухсигнальный метод), входной аттенюатор 0 дБ
Избирательность фильтров -60 дБ/-3 дБ 5:1 Частота Значение (дБм)
| Фазовые шумы (500 МГц) 9 кГц-1 МГц -7
Отстройка Значение (дБн/Гц) 1-200 МГц -3
100 Гц -85 200-780 МГц -2
1 кГц -95 780 МГц-1,9 ГГц -1
10 кГц -110 1,9-3,2 ГГц -2
100 кГц -115 Динамический диапазон
1 МГц -125 от точки компресии до уровня собственных шумов
Паразитная ЧМ При полосе обзора >100 МГц: <50 кГц При полосе обзора <100 МГц: <1 Гц 9 кГц-1 МГц 141 дБ
1-200 МГц 147 дБ
Общие характеристики 200-780 МГц 148 дБ
Демодуляторы АМ, узкополосный/широкополосный ЧМ 780 МГц-1,9 ГГц 148 дБ
Детекторы СКЗ, минимум, максимум, выборки нормальный, квазипиковый 1,9-3,2 ГГц 143 дБ
| свободный от гармонических искажений 2-го порядка
Автоматические измерения мощности канала, ширины занятой полосы, мощности гармоник, глубины АМ, девиации ЧМ, коэффициента нелинейных искажений, фазовых шумов максимальный 90 дБ при сигнале -50 дБм на смесителе SHI = +40 дБм
свободный от интермодуляционных искажений 3-го порядка разнос частот двух сигналов >30 кГц (аттенюатор 0 дБ)
Операционная система Windows'98
Дисплей Цветной ЖКИ, диагональ 16 см, 640x480 максимальный 100 дБ при 2 сигналах -40 дБм на смесителе Т01 = +10 дБм
Вход Разъем М-типа (гнездо), 50 Ом КСВН <2 при аттенюаторе 0 дБ
Случайные комбинационные составляющие (spurious) в дБн -75
Выходы третья ПЧ 21,4 МГц разъем БМА (гнездо) калибратор 100 МГц -10 дБм ВМС (гнездо)
Зеркальные отклики в дБн -80
Внешнее управление Интерфейс ЭР-1В, RS-232 Остаточные отклики (на входе нагрузка 500 м) в дБм -110
Питание Сеть 220 В Масштабирование экрана Линейный/логарифмический режимы
Габариты/Вес 380x190x420 мм/16 кг Единицы измерения дБм, дБмВ, дБмкВ, амплитуды Ватт, Вольт
I - . IJ
Рис. 4. Фазовые шумы анализатора спектра СК4-БЕЛАН 32 на частоте 500 МГц в полосе обзора 25 кГц
І Гlun .Vin
Рис. 5. Фазовые шумы анализатора спектра СК4-БЕЛАН 32 на частоте 100 МГц в полосе обзора 200 Гц
I ■_________~ ~ ^ I 111! ■
Рис. 6. Предельная чувствительность СК4-БЕЛАН 32
в стандартной комплектации. С генератора подан сигнал суровнем -130 дБм (75 нВ) на частоте 2965 МГц
T1S-
Рис. 7. Предельная чувствительность СК4-БЕЛАН 32
в комплектации с преселектором и предварительным усилителем. С генератора подан сигнал суровнем -140 дБм (22,4 нВ) на частоте 556 МГц
ЖИГ-генератора с диапазоном частот 8-18/20 ГГц с таким расчетом, чтобы первая ПЧ прихо-
I - . ч
Рис. 8. Интермодуляционные искажения 3-го порядка анализатора спектра СК4-БЕЛАН 32. На открытый вход (аттенюатор 0дБ) анализатора поданы два сигнала с уровнем -20 дБм и разносом по частоте 30 кГц. Уровень искажений составляет -79 дБ, что соответствует Т01 = +19 дБм
Рис. 9. Скалярные измерения АЧХ и обратных потерь на СК4-БЕЛАН 32 при помощи опционального следящего генератора
Рис. 10. Измерение фазовых шумов на СК4-БЕЛАН 32 при помощи специализированного ПО, входящего в стандартную комплектацию
дилась на 9-10 ГГц. В этом случае без использования преселектора можно перекрывать частотный диапазон до 8 ГГц, а на 1-й гармонике гетеродина даже без умножения можно дойти до 28-30 ГГц, что гарантирует замечательную чувствительность даже на 30 ГГц. Кроме того, при условии правильной стабилизации гетеродина можно получить практически одинаковые фазовые шумы до 23-25 ГГц (порядка -105...-107 дБн/Гц или лучше на отстройке 10 кГц). Разумеется, подобная схема предъявляет очень высокие технологические требования к смесителям и другим узлам СВЧ-тракта, таким как усилители, коммутаторы, а также к коаксиальным разъ-
емам и переходам. Также серьезной проблемой являются входные программируемые аттенюаторы на диапазон частот до 40 ГГц, технология производства которых в России не освоена. Однако именно архитектура, основанная на гетеродине 8-18/20 ГГц и использовании смесителей, работающих по первой гармонике гетеродина, обладает самым большим потенциалом для расширения в миллиметровый диапазон частот. Именно эта схема была применена в сериях анализаторов Tektronix 2782/84, Rohde & Schwarz FSE, задавших на Западе промышленный стандарт в последнем десятилетии прошлого века, а также в наиболее перспективной разработке компании Anritsu — векторном анализаторе сигналов MS2781A. К середине 2007 года мы планируем освоить выпуск анализатора спектра с улучшенными параметрами, который в одной развертке будет перекрывать частотный диапазон 9 кГц-44 ГГц в коаксиальном тракте 2,92 мм (СК4-БЕЛАН 430). Анализатор спектра будет оснащен преселектором 7-46 ГГц и будет стоить не более $40 000. Отечественные аналоги такого анализатора на сегодняшний день отсутствуют, импортные аналоги от Agilent и Rohde & Schwarz стоят около $75 000-80 00. Для диапазона 9 кГц-7 ГГц планируется создать преселектор из 11-12 коммутируемых фильтров, что позволит превратить прибор в измерительный приемник класса П5. Измерительные приемники до 40 ГГц в мире производит только Rohde & Schwarz по заоблачным ценам свыше $100 000, причем выше 31 ГГц в Россию приборы без лицензии не поставляются.
Кроме того, разработчики ЗАО ПФ «ЭЛ-ВИРА» начали испытания лабораторного образца генератора сигналов для диапазона частот 9 кГц-3200 МГц, который должен по параметрам максимально приблизиться к лучшим западным образцам. Серийный выпуск генераторов сигналов предполагается начать в четвертом квартале 2006 года.
Основные характеристики анализатора спектра приведены на рис. 1-3 и в таблице. Перечислим общие возможности устройства. Прибор имеет демодуляторы АМ, узкполосный ЧМ и широкополосный ЧМ, детекторы: СКЗ, максимум, минимум, выборки, нормальный, квазипиковый. Прибором возможно производить следующие автоматические измерения: мощности канала, ширины занятой полосы, мощности гармоник, глубины АМ, ЧМ девиации, коэффициента нелинейных искажений, фазовых шумов (на одной отстройке и как функции от отстройки). На устройстве установлена операционная система Windows 98. К достоинствам анализатора спектра также можно отнести большой цветной ЖКИ с диагональю 16 см и разрешением 640x480 точек. Для внешнего управления анализатор спектра имеет интерфейсы RS-232 и GP-IB.
И, в заключение, приведем массогабаритные характеристики прибора: его габариты составляют 380x190x420 мм, авес 16 кг. ■
