CC BY
264
УДК 621.317.7
В.Г. Губа, А.А. Савин, В.Н. Ульянов
Калибровка и применение векторного анализатора цепей для определения параметров частотно-преобразующих устройств
Рассмотрен способ выполнения калибровки векторного анализатора цепей, оснащенного дополнительными опциональными возможностями, позволяющий проводить измерения параметров устройств с преобразованием частоты.
Ключевые слова: векторный анализатор цепей, смеситель частот.
Одним из основных современных и высокоточных методов тестирования смесителей является метод, называемый «векторная калибровка смесителей» (ВКС) [1]. Метод позволяет проводить измерения практически всех характеристик смесителей, в том числе частотно-трансляционных параметров: конверсионных потерь и ГВЗ. При выполнении измерений нет необходимости устанавливать согласующие аттенюаторы.
Метод ВКС предполагает наличие некоторых дополнительных аппаратных возможностей (опций) прибора типа векторного анализатора цепей (ВАЦ), определенную последовательность действий (алгоритм калибровки и измерений), а также использование соответствующего программного обеспечения (математический аппарат). В отечественной литературе нет, а в зарубежной отсутствует собранное воедино описание полной процедуры ВКС. Получим детальное описание рассматриваемого метода определения параметров смесителей для каждого выделенного пункта в отдельности.
1. Комплектация прибора
В стандартной конфигурации двухпортовый ВАЦ оснащается парой кабельных сборок, набором переходов, калибровочных мер и документацией. Для выполнения векторной калибровки смесителей необходимо наличие сразу трех дополнительных функциональных возможностей:
- конфигурируемый измерительный блок;
- встроенный переключатель;
- специальное программное обеспечение.
Наличие указанных дополнений не снижает точностных параметров стандартной конфигурации и существенно расширяет уже имеющиеся функциональные возможности прибора. Последняя опция подробно рассматривается в последующих пунктах работы. В этой части работы рассмотрим первые две.
Структурная схема ВАЦ при наличии опций «конфигурируемый измерительный блок» и «встроенный переключатель» приведена на рис. 1. Опция «конфигурируемый измерительный блок» обеспечивает возможность подключения различных устройств (аттенюаторы, усилители, фильтры, смесители и др.) в несколько обозначенных на рис. 1 точек тракта распространения сигнала. В обычном режиме работы двухпортового ВАЦ на передней панели прибора, оснащенного данной опцией, имеется шесть перемычек. При тестировании смесителей нам потребуется заменить только одну - прямой доступ в тракт опорного канала порта 1 (первая перемычка слева на рис. 1). Опция «встроенный переключатель» позволяет менять траекторию распространения сигнала синтезатора частот (СЧ) и либо напрямую подавать его в опорный приемник первого порта, либо через перемычку (первую слева). Далее для удобства первое из обозначенных положений (напрямую) будем называть «внутренним», второе (через перемычку) - «внешним».
Опция «конфигурируемый измерительный блок» несколько модернизирует тракты обоих портов прибора. Переключатель размещен только в первом. Возможно наличие двух переключателей, но, как покажет дальнейшее описание ВКС, в наличии двух переключателей нет необходимости.
Допустим, необходимо выполнить измерение параметров некоторого смесителя при преобразовании с частоты Л на частоту Л . В данном контексте не важно, какая из частот является радиочастотой (ЯР), а какая - промежуточной (1Р). Более того, предлагаемая ниже схема измерений допускает равенство частот (например, при определении коэффициентов изоляции). Для проведения измерений, кроме тестируемого, необходимо еще два смесителя (опорный и калибровочный). Также
нужны опорный генератор (ЬО) и делитель. Схема измерений приведена на рис. 2. На схеме обозначены некоторые узловые точки (от 1 до 7), необходимые для дальнейших пояснений. Будем полагать, что гетеродин ВАЦ отстроен вверх от частоты информационного сигнала на величину /Пч .
Опорный смеситель
Рис. 2. Схема калибровки и тестирования
2. Алгоритм проведения калибровки
Рассмотрим порядок проведения калибровки.
Прежде чем подключить калибровочный смеситель (как показано на рис. 2), необходимо предварительно откалибровать систему, используя известные [2] методы одно- и двухпортовых калибровок. При этом сигналы подаются в обход опорного смесителя, т.е. используется «внутреннее» положение переключателя. Порядок действий следующий:
Шаг 1. Однопортовая калибровка порта 1 с вычислением факторов систематической погрешности измерений на частотах f и f : Edf (fi) , (fi) и Erf (f-) для i = 1, 2 . Здесь и далее знак
оценки опускаем.
Шаг 2. Однопортовая калибровка порта 2 ВАЦ и определение факторов: Edr (/2), Esr (/2) и
ERR (f2 ) .
Шаг 3. Стандартная калибровка «на проход» (с обычной перемычкой thru) на частоте /2 с определением Elf (/2) по формуле
elf =
S11,T - EDF •[1-ESF • S11,T]-ERF • S11,T
S11,T - EDF •[s 22,T - Esf • detST ]- Erf • detST
(1)
где detSt - определитель матрицы рассеяния меры thru. Все измерения и оценки должны быть на частоте /.
Следующие действия предполагают использование калибровочного смесителя. Так как его параметры могут быть заранее неизвестны, то их необходимо определить. Итак:
Шаг 4. Характеризация калибровочного смесителя на частоте f методом расчета параметров устройств с малыми потерями. Метод рассмотрен в [3]. При выполнении текущего шага переключатель должен быть установлен в положение «внутренний». Оставшиеся этапы калибровки и часть измерений, которые связаны с преобразованием частоты, выполняются после установки переключателя в положение «внешний». Отметим, что можно обойтись и без встроенного переключателя, но в этом случае ВКС будет менее автоматизированной. Так, например, после выполнения шага № 4 потребуется заменить перемычку, отмеченную на рис. 1, на опорный смеситель.
Шаг 5. Калибровка «на проход» с использованием калибровочного смесителя с известными характеристиками Sc в качестве меры thru. Схема калибровки показана на рис. 2, где между портами ВАЦ подключен калибровочный смеситель.
В результате может быть определена частотная неравномерность тракта передаваемого из порта
1 в порт 2 сигнала (прямое направление зондирования) на частоте fi по формуле
ETF =
S2ir - exf
21,C
•[1-ESF ■ S11,C - ELF ■ S22,r + ESF ■ ELF • det Sc ]
S21,C
(2)
где detSr = Sii,c • Sii,c -S2i,r • Si2,c , значение Elf определено на частоте /2 . Для измерения изоляции Exf на частоте f необходимо воспользоваться стандартной процедурой: в рассматриваемой схеме вместо смесителя к обоим портам ВАЦ подключить согласованные нагрузки.
Шаг 6. Некоторые параметры 12-параметрической модели систематической погрешности не могут быть найдены в процессе калибровки. Их значениями следует пренебречь на этапе коррекции при выполнении тестирования только в одном направлении. Поэтому
ELR = eTR = EXR = 0. (3)
Таким образом, ВКС технически очень похожа на обычную векторную калибровку ВАЦ, т.е. выполняются однопортовые калибровки и калибровка на проход с известным (измеренным) стандартом thru. В таблице обобщены основные моменты рассмотренного алгоритма ВКС.
Оцениваемые параметры и частоты сигналов в характерных точках схемы калибровки
Номер Номер точки 1 2 3 4 5 6 7
шага Параметр Частота
1 edf (А), ESF (А) и erf (A) /1 /1 A + УПч /1 - - -
EDF (f2 ) , ESF (f2 ) и ERF (f2 ) /2 /2 /2 + ./Пч /1
2 EDR (f2 ) > ESR (f2 ) и ERR (f2 ) - - f2 + УПЧ - /2 /2
3 ELF (f2 ) /2 /2 f2 + УПЧ /2 /2 /2 /2
4 S11,C > S22,C и S21,C /1 /1 /1 + УПч /1 - - -
5 ETF (А) и EXF (A) /1 /2 f2 + УПч /1 /2 - -
6 ELR = ETR = EXR = 0 - - - - - - -
Сделаем одно важное замечание. До сих пор мы полагали, что выполняется калибровка для преобразования с фиксированной частоты / на частоту / . Очевидно, что / и /2 могут обозначать не одну частоту, а некоторую сетку (диапазон) частот. В этом случае по рассмотренной выше методике определяются оценки факторов систематической погрешности в соответствующих диапазонах (в нескольких частотных точках).
Далее рассмотрим в деталях процесс измерения параметров тестируемого смесителя.
3. Математический аппарат измерений
Часть измеряемых параметров смесителя связана с изменением частоты, а часть - нет. В первом случае тестирование должно проходить с участием опорного смесителя, а во втором - без. Реализовать полный цикл измерений параметров тестируемого смесителя удобно при наличии опции «встроенный переключатель». В любом случае, как показано на рис. 2, смеситель подключается между портами ВАЦ. Он может быть не взаимным, может иметь более высокие потери, чем калибровочный.
Рассмотрим математический аппарат измерений. В результате обработки оценивания комплекс -ных амплитуд в опорных и измерительных приемниках, вычисления соответствующих отношений можно получить следующие измеренные величины:
Sff (/1)=
S22 (/2 ) =
b2 (/2 )
и S21 (/2 ) =
b2 (/2 )
(4)
С(/1) ’ ~22 ЧУ2/ а2(/2) “ ~21 ЧУ2/ а(/2) '
КО входного порта тестируемого смесителя измеряется на частоте (в диапазоне) /1 и в общем случае равен
SM (/1)-Edf(/1)
S11(/1) =
ERF (f1) + ESF (f1) • Sn (f1) - EDF (f )
(5)
где факторы ошибок получены на шаге 1 калибровки. КСВН выходного порта определяется на частоте /2 :
S& (/2)-EDR (/2)
S22 (f2 )=-
(6)
err (/2 ) + ESR (/2 ) • S22 (f2 ) - edr (/2 )
где факторы ошибок получены на шаге 2 калибровки.
Коэффициенты изоляции между входным и выходным портами смесителя в любом направлении могут измеряться на любой частоте, для которой доступны калибровочные данные (чтобы реализовать стандартную двухпортовую коррекцию систематической погрешности). В целом технология измерения указанных параметров ничем не отличается от таковой для пассивных, линейных устройств. Напомним, что при тестировании линейных устройств основные расчетные соотношения получаются на основе графа 12-параметрической модели прибора [2].
Для выполнения дальнейших рассуждений необходимо рассмотреть потоковый граф частотнотрансляционной модели ВАЦ. Граф приведен на рис. 3.
Рис. 3. Потоковый граф частотно-трансляционной модели
На рис. 3 использованы следующие обозначения: Edf - направленность; Esf - согласование источника; Etf s - частотная неравномерность тракта передачи порта-источника; Erf,s - частотная неравномерность тракта отражения порта-источника (S - source); Etf ,R - частотная неравномерность тракта передачи порта-приемника (R - receiver); Exf - изоляция; Elf - согласование нагрузки; S21-OUT - коэффициент преобразования на выходной частоте (Conversion at Output Fre-
160 РАДИОТЕХНИКА. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. АНТЕННЫ. МИКРОВОЛНОВЫЕ УСТРОЙСТВА quency); S2i-.IV - коэффициент преобразования на входной частоте (Conversion ta Input Frequency). Очевидно, что итоговая частотная неравномерность тракта отражения равна Erf = Etf,S • Erf,S , а итоговая частотная неравномерность тракта передачи равна Etf = Etf s • Etf,R .
В результате получим комплексный коэффициент преобразования тетсируемого смесителя:
S21 (fi) -EXF (fi) • [i - ESF (fi) • S11 (/i)] • [1 -ELF (/2) • S22 (f2)]
C2i(fi) =
(7)
etf (A)
При этом использовано C12 = 0 . Это справедливо в рамках использованной модели (см. рис. 3), состоящей из двух частей (входной и выходной), причем каждой соответствует своя частота.
Ограничение Q2 = 0 достаточно существенное. Поэтому далее рассмотрим случай тестирования взаимного смесителя, т.е. когда С12 = С21. Выражения аналогичны соответствующим выражениям для полной двухпортовой калибровки [2]:
S (/•)=__________[1 + DESR (f2 )] A - ELF (f2 ) ВС____
Щ 1 [1 + AEsf (/1)][1 + DEsr (/2 )]-CBElr (A)Elf (/2 )
S (/) [1 + AESF (/1)]D - ELR (/1)BC
22K 2 [1 + AEsf(/1)][1 + DEsr(/2)]-CBElr(A)Elf(/2) ,
С (/1)=__________[1+D(esr(/2)-Elf(/2))]В______________
2U 1 [1+AEsf (/1)][1+DEsr (/2 )]-CBElr (A)Elf (/2 )
здесь
A S!i(/1)-EDF(/1) В S21 (/1)-EXF(/1) С [1 + d(eSR(/2)-ELF(f2))]В d s22(/2)-EDR(/2).
ERF(A) , ETF(A) , 1 + A[Esf (A)-Elr (Л)] ’ Err(f2)
Отличие только при определении коэффициента С, так как в оригинале (см. [1]) используется измеренное значение S12 , которое здесь не доступно.
Далее необходимо (см. шаг 3 калибровки) предположить Elr = 0 . Тогда из предыдущих выражений получим окончательно:
S (, ) [1 + DESR (f2 )] А - ELF (f2 ) ВС0
11 (1) [1+AEsf (/1)][1+DEsr (/2) , ( )
S22 ) = 1 + DEsr (/2) ’ (12)
С f) [1 + d(eSR (f2)-ELF (/2))]В (13)
21 (/1)'[1+AEsf (/1)][1+DEsr (/2)], ( )
С С [1 + D(ESR (/2)-ELF (f2))]В
где Со = lr=0 =----------йАЁЙА)-----------•
Заметим, что при Elr = 0 выражение для S22 (/2) одинаково для взаимного и невзаимного смесителей (множитель [1 + AEsf (/1)] сокращается). При Elr = 0 и S22 = 0 выражения для С21 и S11 принимают вид
С21 (/1)=Si! A)-Exf (А)_________-__________ErA___________(14)
Etf{A) erf(fi)+Esf(fi)• Sn (fi)-Edf(A)
sM (fi)-Edf(fi)
Erf(fi)+Esf(fi) • Si\(A)-Edf(i)
Заключение. В заключение отметим несколько важных замечаний, которые не вошли в основную часть работы. При ВКС используется параллельное включение опорного и тестируемого смесителей. Такое подключение имеет более широкий динамический диапазон, чем последовательное. Для обеспечения повторяемости и стабильности параметров измерительной установки при калибровке и при измерениях необходима синхронизация синтезатора ВАЦ и генератора LO. На схеме (см. рис. 2) цепи синхронизации не показаны. Практически всегда смеситель содержит фильтр. В работе этот факт не обозначается. Однако следует помнить, что при отсутствии фильтрующих цепей паразитные спектральные составляющие могут ухудшить точность измерений за счет проникновения в полосу пропускания приемников. Также отметим, что наличие опции «переключатель» не обязательно. Но при отсутствии данной опции при необходимости периодического перехода от режима измерения частотно-трансляционных параметров (конверсионные потери и ГВЗ) в режим измерения одночастотных параметров (КСВН и изоляция) потребуется замена опорного смесителя на перемычку и наоборот. Кроме того, что это неудобно, особенно при большом количестве тестируемых смесителей, это может увеличить погрешность измерений за счет неповторяемости соединителей.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с договором 13.G25.31.0011 от 07.09.2010 и договором 74/10 от 15.07.2010 г. в порядке реализации Постановления № 218 Правительства РФ.
Литература
1. Modem Measurement Techniques for Testing Advanced Military Communication and Radars. Agilent Technologies, 2005 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.agilent.com, свободный (дата обращения: 10.02.2009).
2. Губа В.Г. Классификация и анализ методов калибровки векторных анализаторов цепей / В.Г. Губа, А.А. Ладур, А.А. Савин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2011. - № 2(24), ч. 1. - С. 149-155.
3. Губа В. Г. Применение метода определения параметров устройств с малыми потерями для тестирования смесителей частот / В.Г Губа, А.А. Савин // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2011. - № 2(24), ч. 1. - С. 145-148.
Губа Владимир Геннадьевич
Зам. гл. метролога ЗАО «НПФ «Микран»
Тел.: (382-2) 90-00-38 Эл. почта: vovg@micran.ru
Савин Александр Александрович
Канд. техн. наук, доцент каф. радиотехнических систем ТУСУРа
Тел.: (382-2) 41-36-70
Эл. почта: saasavin@mail.ru
Ульянов Владимир Николаевич
Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник НИИ СЭС ТУСУРа Тел.: (382-2) 90-00-36 Эл. почта: ulw@micran.ru
Guba V.G., Savin A.A., Uljanov V.N.
Calibration and the use of a vector network analyzer to determine the parameters of frequency-converting devices
In the article there is given a method for calibrating vector network analyzer equipped with an additional optional capabilities to carry out the measurement of a device with frequency conversion.
Keywords: vector network analyzer, frequency mixer.
