Корреляция результатов СВЧ-измерений, выполненных с помощью ручного и настольного анализаторов

Введение

Только сравнив характеристики определенного ручного прибора с аналогичными характеристиками настольного прибора, можно сделать вывод о возможности использования этого ручного прибора для измерений с требуемой точностью. Сначала следует проанализировать характеристики прибора, приведенные в технических описаниях, предоставляемых производителем. При непосредственном сравнении характеристик приборов могут возникнуть трудности, так как характеристики часто получают при строго определенных рабочих условиях, которые отличаются у разных приборов. Например, характеристики ручного прибора могут соответствовать работе в жестких условиях, а настольного прибора — работе в условиях со стабильной температурой окружающей среды. Научно-техническая литература также содержит ограниченные сведения о сравнении настольных и ручных приборов. В связи с этим на повестке дня стоит вопрос о корреляции записанных результатов измерений, выполненных с помощью нескольких настольных приборов и ручного прибора. Это единственный путь, позволяющий оценить возможность применения ручного прибора для точного выполнения СВЧ-измерений при тестировании в полевых условиях.

Зачем нужна корреляция?

Корреляция позволяет оценить степень совпадения наборов данных, полученных и записанных при измерении параметров одного исследуемого устройства с помощью разных приборов — высокоточного настольного и ручного. Чем больше степень совпадения данных, тем больше вероятность того, что один прибор можно заменить на другой. В данном случае требуется определить, может ли ручной прибор обеспечить ту же точность измерений, что и настольный. Почему корреляция так важна для гарантии успешной работы исследуемого устройства?

Измерения параметров исследуемого устройства (или изделия) на каждом этапе его создания выполняют с помощью множества разных приборов, к которым, как правило, предъявляют определенные требования. На ранних этапах, таких как проверка проектного решения, разработка изделия и производственные испытания, измерения обычно выполняют с использованием настольных приборов в контролируемых лабораторных условиях. Для измерений в процессе проведения опытно-конструкторских работ настольный прибор выбирают с учетом его характеристик, функциональных возможностей и динамического диапазона.

При заводских испытаниях важны следующие параметры: высокая скорость измерений и низкая стоимость приборов. После монтажа новой системы или отдельного компонента большинство лабораторных измерений необходимо повторить в полевых условиях, чтобы проверить соответствие спецификациям. Дополнительные полевые испытания могут потребоваться при выполнении регламентного технического обслуживания или после внеочередного ремонта. В процессе полевых испытаний ручные приборы используются в особо трудных условиях эксплуатации, включая суровые погодные условия, такие как снегопад, пыльный суховей или морской туман.

При проведении любых полевых измерений корреляция полученных данных с результатами лабораторных измерений очень важна для обеспечения успешной работы исследуемого устройства и (или) системы. При неудовлетворительной корреляции данных, полученных в полевых условиях, с результатами лабораторных измерений исправные компоненты могут рассматриваться как неисправные. Более того, неисправные компоненты можно ошибочно принять за исправные. Высокая степень корреляции позволит всем участвующим сторонам принять объективное решение о соответствии исследуемого устройства спецификациям проекта.

Подтверждение корреляции результатов измерений

Для определения того, настолько высока степень корреляции данных, полученных с помощью ручного прибора и высокоточных настольных приборов, может потребоваться проверка нескольких разных типов измерений, например спектральных составляющих, S‑параметров и ВЧ-мощности, особенно когда ручной прибор имеет функциональность нескольких приборов, таких как анализатор спектра, векторный анализатор цепей или измеритель мощности.

Например, на рис. 1 показаны два измерения спектра многотонального сигнала с центральной частотой 10 ГГц. Этот сигнал имеет боковые тоны с одинаковым шагом отстройки относительно центральной частоты и амплитудами, на 10 дБм меньшими амплитуды соседнего тона. С левой стороны показан спектр, захваченный высокоточным настольным анализатором спектра, а с правой стороны — ручным прибором, работающим в режиме анализатора спектра.

Рис. 1. Спектр многотонального сигнала частотой 10 ГГц, полученный с помощью:
а) анализатора спектра MXA;
б) анализатора спектра FieldFox

Для сравнения двух измерений использовались дельта-маркеры. Для настольного прибора был получен результат –40,37 дБ и –40,07 дБ — для ручного прибора. Разность между результатами, равная всего 0,3 дБ, указывает на хорошую корреляцию. Результаты измерений по маркерам для других тонов также свидетельствуют о хорошей корреляции между двумя приборами. Следовательно, хотя ручной прибор в этом примере нельзя рассматривать как полную замену настольного прибора с учетом таких параметров, как скорость свипирования и динамический диапазон, он все же подходит для работы в полевых условиях и для лабораторных измерений общего назначения.

Для сравнения результатов измерения S‑параметров рассмотрим пример, приведенный на рис. 2. Здесь в качестве исследуемого устройства использован широкополосный усилитель, работающий в полосе частот от 3 до 12 ГГц и имеющий усиление 23 дБ. Четыре S‑параметра были измерены с помощью трех разных векторных анализаторов цепей — двух настольных приборов и одного ручного прибора. Для всех трех приборов были заданы диапазон частот от 100 МГц до 26,5 ГГц, 401 точка измерения и полоса пропускания фильтра промежуточной частоты в 10 кГц. В приборах применялась полная 2‑портовая ручная калибровка.

Рис. 2. Измеренные S параметры усилителя с полосой пропускания от 3 до 12 ГГц:
наложение результатов измерений, полученных от приборов Agilent 8510C VNA (синяя кривая),
PNA-X (зеленая)
и прибора FieldFox, работающего в режиме векторного анализатора цепей (красная)

Для сравнения три набора сохраненных S‑параметров были поданы на один из настольных приборов и наложены один на другой. На рисунке видно, что три набора измерений практически идентичны, за исключением отклонения характеристики S21, полученной от настольного прибора, что обозначено синей кривой в верхней части частотного диапазона. Это указывает на хорошую корреляцию между ручным прибором (красная кривая) и другим высокоточным настольным прибором (зеленая кривая). В данном случае ручной прибор можно рассматривать как оптимальное средство для измерения S‑параметров в полевых условиях и для лабораторных измерений общего назначения.

Для измерения ВЧ-мощности немодулированных, импульсных и сложных сигналов можно использовать различные комбинации приборов, основным компонентом которых является датчик мощности. Такой датчик может работать как отдельный измеритель мощности или как измеритель мощности, соединенный USB-кабелем с компьютером или ручным/настольным прибором. Компьютер или ручной/настольный прибор нужен просто для отображения результатов измерений. Если один и тот же датчик мощности использовать с ручным и настольным приборами, то результаты измерений этих приборов будут очень близки.

Поскольку считается, что более точные измерения ВЧ-мощности выполняются с помощью настольного одноприборного решения, мы воспользуемся ручным прибором, способным измерять сигнал мощности непосредственно без выносного датчика. В таблице показана измеренная мощность немодулированного тестового сигнала в зависимости от частоты. Результаты измерения на основе комбинации измерителя и датчика мощности сравниваются с результатами измерения с использованием ручного прибора, имеющего встроенную функцию измерителя мощности. Точность измерения мощности с помощью ручного прибора ниже, чем при применении датчика мощности, поэтому не стоит переоценивать удобство использования одного прибора для измерения мощности в полевых условиях.

Ручной анализатор FieldFox измеряет мощность сигнала с помощью функции измерения мощности канала (CPM). Пользователь должен задать полосу частот для измерения мощности канала и использовать короткий коаксиальный кабель для соединения с контрольной точкой.

Ручные приборы становятся конкурентами настольных приборов

В приведенных выше примерах продемонстрировано, как эффективно коррелируются данные измерений. Это говорит о том, что современный ручной анализатор может выполнять измерения, результаты которых соответствуют результатам, полученным с помощью настольных приборов. Одна из причин этого заключается в том, что в ручных приборах используются те же принципы выполнения измерений, что и в настольных приборах. Например, некоторые высокоточные ВЧ и СВЧ настольные приборы построены на основе монолитных интегральных схем диапазона СВЧ. Такие ИС можно применять и в ручных приборах для объединения нескольких функций в одном компактном решении.

Эти ИС с высокой степенью интеграции позволяют улучшить характеристики и повысить надежность ручных приборов с одновременным уменьшением их общего энергопотребления. Кроме того, они позволяют использовать ручные приборы, например, в качестве анализатора спектра, векторного анализатора цепей, измерителя мощности или портативного анализатора антенно-фидерных систем.

В дополнение к технологическим преимуществам в современных ручных приборах применяются автоматическая коррекция и встроенная калибровка, с помощью которых высокая точность измерений поддерживается во всем диапазоне частот. Именно эти функциональные возможности позволяют ручным приборам конкурировать с настольными приборами.

Заключение

При использовании ручного прибора в полевых условиях важно гарантировать хорошее согласование результатов измерений с данными, полученными с помощью настольных приборов. Проверить это можно, оценив корреляцию полученных данных. На основе приведенных примеров можно сделать вывод о том, что современные ручные приборы имеют достаточные функциональные возможности и характеристики для проведения полевых испытаний и лабораторных измерений общего назначения.