eng
Содержание
Предисловие к русскому изданию книги 12
Рецензия на книгу Джоэля П. Дансмора 13
Предисловие 14
Введение 16
Благодарности автора 18
Список сокращений 19
Глава 1. Введение в СВЧ-измерения 20
1.1.
Современный измерительный процесс 21
1.2.
Практический взгляд на измерения 22
1.3.
Описание параметров СВЧ-устройств 23
1.3.1.
Базовые знания об S-параметрах 23
1.3.2.
Фазовая характеристика цепей 31
1.4.
Показатели мощности 33
1.4.1.
Падающая и отраженная мощность 33
1.4.2.
Номинальная мощность 33
1.4.3.
Поглощенная мощность 34
1.4.4.
Номинальная мощность на выходе цепи 34
1.4.5.
Номинальный коэффициент усиления 35
1.5.
Коэффициент шума и шумовые параметры 35
1.5.1.
Шумовая температура 37
1.5.2.
Эффективная или избыточная входная шумовая температура 37
1.5.3.
Избыточная мощность шума и рабочая температура 37
1.5.4.
Спектральная плотность мощности шума 38
1.5.5.
Шумовые параметры 38
1.6.
Параметры нелинейных искажений 39
1.6.1.
Гармоники 39
1.6.2.
Точка пересечения второго порядка 40
1.6.3.
Двухтоновые интермодуляционные искажения 41
1.7.
Особенности СВЧ-устройств 43
1.8.
Пассивные СВЧ-устройства 44
1.8.1.
Кабели, соединители и линии передачи 44
1.8.2.
Переходы и соединители 50
1.8.3.
Некоаксиальные линии передачи 61
1.9.
Фильтры 65
1.10.
Направленные ответвители 68
1.11.
Циркуляторы и вентили 71
1.12.
Антенны 72
1.13.
Компоненты печатных плат 73
1.13.1.
SMT-резисторы 73
1.13.2.
SMT-конденсаторы 76
1.13.3.
SMT-дроссель 77
1.13.4.
Межслойные переходные отверстия печатных плат 78
1.14.
Активные СВЧ-устройства 78
1.14.1.
Линейные и нелинейные устройства 79
1.14.2.
Усилители: широкополосные, малошумящие, большой мощности 79
1.14.3.
Смесители и преобразователи частот 81
1.14.4.
Умножители и делители частот, ограничители мощности 84
1.14.5.
Генераторы сигналов 85
1.15.
Средства измерений 85
1.15.1.
Измерители мощности 85
1.15.2.
Источники сигналов 87
1.15.3.
Анализаторы спектра 88
1.15.4.
Векторные анализаторы сигналов 89
1.15.5.
Измерители коэффициента шума 90
1.15.6.
Анализаторы цепей 91
Список использованной литературы 94
Глава 2. Измерительные системы на базе ВАЦ 95
2.1.
Вступление 95
2.2.
Блок-схема ВАЦ 96
2.2.1.
Источники сигналов ВАЦ 100
2.2.2.
Смысл термина «согласование источника» 102
2.2.3.
Рефлектометрическая установка ВАЦ 108
2.2.4.
Направленные устройства 111
2.2.5.
Приемники ВАЦ 119
2.2.6.
Обработка сигнала ПЧ 123
2.2.7.
Многопортовые приставки 125
2.2.8.
Измерительные системы высокой мощности 132
2.3.
Измерения линейных характеристик в СВЧ-диапазоне с использованием ВАЦ 133
2.3.1.
Методы измерений линейных S-параметров 133
2.3.2.
Измерения мощности с помощью ВАЦ 137
2.3.3.
Прочие ограничения при измерениях с помощью ВАЦ 140
2.3.4.
Ограничения, связанные с внешними элементами измерительной схемы 144
2.4.
Измерение величин, полученных из S-параметров 145
2.4.1.
Диаграмма Вольперта – Смита 145
2.4.2.
Преобразование S-параметров при изменении величины опорного
импеданса 152
2.4.3.
Многокаскадные цепи и T-параметры 153
2.5.
Моделирование цепей с использованием Y- и Z-преобразования 154
2.5.1.
Преобразование величин отражения 155
2.5.2.
Преобразования величин передачи 156
2.6.
Прочие линейные параметры 156
2.6.1.
Z-параметры, или параметры импеданса разомкнутой цепи 157
2.6.2.
Y-параметры, или параметры адмиттанса короткозамкнутой цепи 158
2.6.3.
ABCD-параметры 159
2.6.4.
H-параметры, или гибридные параметры 160
2.6.5.
Комплексные преобразования и неравные опорные импедансы 160
Список использованной литературы 161
Глава 3. Калибровка и векторная коррекция погрешности измерений 162
3.1.
Вступление 162
3.2.
Теоретические основы коррекции систематической погрешности измерений
S-параметров: этап применения калибровки 164
3.2.1.
12-элементная модель погрешности измерений 165
3.2.2.
Однопортовая модель систематической погрешности измерений 167
3.2.3.
8-элементная модель систематической погрешности измерений 167
3.3.
Определение составляющих систематической погрешности: этап сбора данных
для 12-элементной модели 170
3.3.1.
Составляющие систематической погрешности измерений параметров
однопортового устройства 171
3.3.2.
Однопортовые меры КО 173
3.3.3.
Составляющие систематической погрешности двухпортовых устройств 181
3.3.4.
От 12-элементной модели систематической погрешности к 11-элементной 186
3.4.
Определение составляющих систематической погрешности измерений: этап
сбора данных для 8-элементной модели 187
3.4.1.
Меры для TRL-калибровки и нескорректированные измерения 187
3.4.2.
Особые случаи TRL-калибровки 192
3.4.3.
Калибровка по неизвестной мере КП, или SOLR 193
3.4.4.
Область применения калибровки по неизвестной мере КП 195
3.4.5.
QSOLT-калибровка 197
3.4.6.
Электронная, или автоматическая, калибровка 197
3.5.
Калибровки в волноводных трактах 202
3.6.
Калибровка мощности источника сигналов 204
3.7.
Калибровка приемника по мощности 210
3.7.1.
Небольшой экскурс в историю 210
3.7.2.
Современные методы калибровки по мощности приемников 211
3.7.3.
Коррекция характеристики измерительного приемника прошедшей волны 215
3.8.
Частичные калибровки 219
3.8.1.
Калибровка по отклику 219
3.8.2.
Расширенная калибровка по отклику 221
3.9.
Определение величин составляющих неисключенной систематической
погрешности 224
3.9.1.
Погрешности измерений параметров отражения 224
3.9.2.
Использование воздушной линии для определения составляющих
неисключенной систематической погрешности измерений 227
3.10.
Расчет неопределенностей результатов измерений 240
3.10.1.
Неопределенность измерений параметров отражения 241
3.10.2.
Неопределенность мощности источника сигналов 241
3.10.3.
Неопределенность измерений мощности (неопределенность приемника) 243
3.11.
Неопределенность измерений параметров передачи или S21 244
3.12.
Погрешность измерений фазы 248
3.13.
Практические ограничения калибровки 249
3.13.1.
Гибкость кабелей 250
3.13.2.
Изменение мощности после калибровки 251
3.13.3.
Компенсация изменений величины ослабления ступенчатого аттенюатора 254
3.13.4.
Повторяемость соединителей 257
3.13.5.
Шумовые эффекты 258
3.13.6.
Дрейф: кратковременная и долговременная составляющие 260
3.13.7.
Интерполяция составляющих погрешности 261
3.13.8.
Качество калибровки электронных калибраторов в сравнении
с механически подключаемыми калибровочными комплектами 264
Список использованной литературы 265
Глава 4. Преобразования во временную область 266
4.1.
Вступление 266
4.2.
Преобразование Фурье 267
4.2.1.
Непрерывное преобразование Фурье 267
4.2.2.
Четные и нечетные функции и преобразование Фурье 268
4.2.3.
Теорема о модуляции (теорема о сдвиге) 268
4.3.
Дискретное преобразование Фурье 269
4.3.1.
Быстрое преобразование Фурье и обратное быстрое преобразование Фурье 270
4.3.2.
Дискретное преобразование Фурье 272
4.4.
Сравнение аналитического преобразования Фурье и преобразования
во временную область, выполняемого ВАЦ 272
4.4.1.
Определение преобразования Фурье 273
4.4.2.
Влияние дискретной выборки 274
4.4.3.
Эффекты частотного среза 276
4.4.4.
Использование оконных функций для уменьшения эффектов обрезки 278
4.4.5.
Масштабирование и перенормировка 280
4.5.
Режимы преобразования low-pass и band-pass 281
4.5.1.
Измерение импульсной характеристики в low-pass-режиме 281
4.5.2.
Экстраполяция в область постоянных токов 282
4.5.3.
Измерение переходной характеристики в low-pass-режиме 282
4.5.4.
Полосно-пропускающий (band-pass) режим 284
4.6.
Фильтрация во временной области 286
4.6.1.
Потери в результате фильтрации и перенормировка 287
4.7.
Примеры преобразований во временную область для различных цепей 290
4.7.1.
Характеристика во временной области изменений волнового сопротивления
линии передачи 290
4.7.2.
Характеристика дискретных неоднородностей во временной области 291
4.7.3.
Характеристики различных цепей во временной области 292
4.8.
Влияние маскирования и фильтрации на погрешность измерений 293
4.8.1.
Компенсация изменений волнового сопротивления линии 294
4.8.2.
Компенсация дискретных неоднородностей 295
4.8.3.
Фильтрация во временной области 296
4.8.4.
Оценка пределов погрешностей, возникающих вследствие эффекта
маскирования 300
4.9.
Заключение 301
Список использованной литературы 301
Глава 5. Измерения параметров линейных пассивных устройств 303
5.1.
Линии передачи, кабели и соединители 303
5.1.1.
Калибровка для измерений параметров устройств с малыми потерями,
имеющих соединители 304
5.1.2.
Измерение электрически длинных устройств 307
5.1.3.
Измерения ослабления 311
5.1.4.
Измерения возвратных потерь 330
5.1.5.
Длина кабеля и задержка 343
5.2.
Фильтры и измерения их параметров 344
5.2.1.
Типы фильтров и степень их сложности 345
5.2.2.
Дуплексеры и диплексоры 345
5.2.3.
Измерение параметров высококачественных настраиваемых фильтров 345
5.2.4.
Измерения передаточной характеристики 349
5.2.5.
Взаимосвязь скорости измерений и их динамического диапазона 355
5.2.6.
Измерения в очень большом динамическом диапазоне 358
5.2.7.
Анализ особенностей калибровки 368
5.3.
Многопортовые устройства 369
5.3.1.
Дифференциальные кабели и линии 370
5.3.2.
Ответвители 370
5.3.3.
Гибридные мосты, разветвители и делители 373
5.3.4.
Циркуляторы и вентили 377
5.4.
Резонаторы 379
5.4.1.
Характеристика резонатора на диаграмме Вольперта – Смита 379
5.5.
Измерения параметров антенн 382
5.6.
Выводы 384
Список использованной литературы 385
Глава 6. Измерения параметров усилителей 386
6.1.
Усилители как линейные устройства 386
6.1.1.
Предварительные измерения параметров усилителя 387
6.1.2.
Оптимизация настроек ВАЦ для выполнения калибровки 390
6.1.3.
Калибровка для измерений параметров усилителей 391
6.1.4.
Измерения параметров усилителей 396
6.1.5.
Анализ результатов измерений параметров усилителей 403
6.1.6.
Сохранение результатов измерений параметров усилителей 414
6.2.
Измерения компрессии усиления 419
6.2.1.
Определения понятия компрессии 419
6.2.2.
АМ-ФМ, или фазовая, компрессия 424
6.2.3.
Зависимость характеристик компрессии усиления и фазы от частоты 425
6.2.4.
Применение измерений компрессии усиления, адаптивная развертка и ее
безопасный режим работы 426
6.3.
Измерение параметров усилителей с высоким коэффициентом усиления 434
6.3.2.
Особенности калибровки 437
6.4.
Измерение параметров усилителей высокой мощности 440
6.4.1.
Конфигурации для формирования тестовых сигналов высокой мощности 440
6.4.2.
Конфигурации для приема сигналов высокой мощности 442
6.4.3.
Калибровки по мощности, предварительная коррекция и посткоррекция
уровня мощности 445
6.5.
Импульсные СВЧ-измерения 447
6.5.2.
Измерения формы импульсного сигнала 452
6.5.3.
Измерения от импульса к импульсу 454
6.5.4.
Измерения параметров питания на постоянном напряжении при
использовании в качестве тестового сигнала радиоимпульсов 455
6.6.
Измерения нелинейных искажений 457
6.6.1.
Измерение гармонических составляющих спектра выходного сигнала
усилителей 458
6.6.2.
Измерения при воздействии двух гармонических сигналов на входе ИУ,
интермодуляционные искажения, точка пересечения третьего порядка 462
6.6.3.
Методики измерений интермодуляционных составляющих третьего порядка
TOI 467
6.6.4.
Измерения интермодуляционных искажений в диапазоне частот 469
6.6.5.
Оптимизация результатов измерений 471
6.6.6.
Коррекция погрешностей измерений 476
6.7.
Измерения коэффициента шума 477
6.7.1.
Определение коэффициента шума 477
6.7.2.
Измерения мощности шума 479
6.7.3.
Расчет коэффициента шума из мощностей шума 481
6.7.4.
Расчет коэффициента шума по результатам измерений Y-фактора 483
6.7.5.
Метод «холодного» источника 485
6.7.6.
Шумовые параметры 487
6.7.7.
Коррекция составляющих систематической погрешности измерений КШ 491
6.7.8.
Пределы погрешностей измерений коэффициента шума 492
6.7.9.
Контроль правильности полученных результатов измерений КШ 493
6.7.10.
Методики повышения качества измерений КШ 495
6.8.
X-параметры, измерения с изменяемой величиной импеданса нагрузки
и активные нагрузки 498
6.8.1.
Нелинейные характеристики и X-параметры 498
6.8.2.
Измерения с изменяемым согласованием источника и нагрузки, построение
линий равных значений параметров, зависящих от нагрузки 502
6.9.
Выводы по измерениям параметров усилителей 508
Список использованной литературы 509
Глава 7. Измерения параметров смесителей и преобразователей частот 510
7.1.
Характеристики смесителей 510
7.1.1.
Малосигнальная модель смесителей 513
7.1.2.
Взаимность смесителей 518
7.1.3.
Скалярные и векторные характеристики 520
7.2.
Смесители в сравнении с преобразователями частот 520
7.2.1.
Особенности проектирования преобразователей частот 522
7.2.2.
Многоступенчатое преобразование частот и предотвращение возникновения
паразитных составляющих 523
7.3.
Смесители как 12-портовые устройства 525
7.3.1.
Коэффициенты преобразования смесителя 526
7.4.
Измерение параметров смесителей: частотная характеристика 529
7.4.1.
Вступление 529
7.4.2.
Амплитудно-частотные характеристики 530
7.4.3.
Фазочастотные характеристики 534
7.4.4.
ГВЗ и модуляционные методы 547
7.4.5.
Измерения с изменяемой частотой гетеродина 549
7.5.
Калибровка для измерений параметров смесителей 554
7.5.1.
Калибровка по мощности 554
7.5.2.
Калибровки для измерений фазовых характеристик 557
7.5.3.
Определение набега фазы и задержки сигнала взаимного калибровочного
смесителя 560
7.6.
Измерения зависимостей параметров смесителей от мощности входных сигналов 573
7.6.1.
Измерения зависимости параметров смесителя от уровня мощности сигнала
гетеродина 574
7.6.2.
Измерения параметров смесителей в зависимости от уровня мощности
сигнала ВЧ 579
7.7.
Интермодуляционные искажения третьего порядка в смесителях 583
7.7.1.
Зависимость ИМИ от уровня мощности сигнала гетеродина 585
7.7.2.
Зависимость ИМИ от уровня мощности сигнала ВЧ 586
7.7.3.
Частотные зависимости ИМИ смесителя 589
7.8.
Коэффициент шума смесителей и преобразователей частот 590
7.8.1.
Метод Y-фактора для смесителей 591
7.8.2.
Метод «холодного» источника для смесителей 593
7.9.
Особые случаи 599
7.9.1.
Смесители с умножителями в тракте ВЧ или гетеродина 600
7.9.2.
Измерения в режиме сегментированного качания частоты 601
7.9.3.
Измерения продуктов преобразования высокого порядка 602
7.9.4.
Смесители со встроенным гетеродином 607
7.9.5.
Преобразователи частот с большим коэффициентом усиления или сигналов
высокой мощности 610
7.10.
Выводы по измерениям параметров смесителей 611
Список использованной литературы 612
Глава 8. Балансные измерения с помощью ВАЦ 613
8.1.
S-параметры четырехпортовых балансных устройств 613
8.2.
Трехпортовые балансные устройства 618
8.3.
Примеры измерений параметров балансных устройств 620
8.3.1.
Пассивные дифференциальные устройства: балансные линии передачи 620
8.3.2.
Измерение параметров дифференциальных усилителей 624
8.3.3.
Измерение параметров дифференциальных усилителей в нелинейном
режиме 627
8.4.
ВАЦ с режимом полноценного балансного входного воздействия для
нелинейного анализа 632
8.4.1.
Измерения в режиме полноценного балансного входного воздействия 636
8.4.2.
Определение фазовой асимметрии (расфазировки) дифференциального
устройства 641
8.5.
Исследование параметров дифференциальных устройств с использованием
гибридных мостов, трансформаторов и симметрирующих устройств 644
8.5.1.
Сравнение симметрирующих трансформаторов и гибридных мостов 644
8.5.2.
Использование гибридных мостов и симметрирующих устройств
с двухпортовыми ВАЦ 649
8.6.
Измерение параметров нелинейных искажений дифференциальных устройств 652
8.6.1.
Сравнение результатов измерений IMD в небалансном и полноценном
режимах 654
8.7.
Измерения коэффициента шума дифференциальных устройств 657
8.7.1.
Коэффициент шума балансного режима 659
8.7.2.
Измерительная установка 660
8.8.
Выводы по измерениям параметров дифференциальных устройств 664
Список использованной литературы 665
Глава 9. Нестандартные методики измерений 666
9.1.
Создание собственного калибровочного комплекта 666
9.1.1.
Пример калибровочной печатной платы 667
9.1.2.
Определение параметров измерительных приспособлений на печатных
платах 668
9.2.
Учет и исключение влияния оснастки на результаты измерений 686
9.2.1.
Математический аппарат функции de-embedding 688
9.3.
Определение S-параметров измерительных приспособлений 690
9.3.1.
Описание параметров измерительных приспособлений с использованием
однопортовой калибровки 691
9.4.
Автоматическое фазовое удлинение портов 698
9.5.
Автоматическое исключение параметров измерительных приспособлений
с использованием анализа во временной области 704
9.6.
Добавление элементов согласования портов 710
9.7.
Преобразование величины импеданса 713
9.8.
Применение функции de-embedding в отношении устройств с большими потерями 714
9.9.
Понимание стабильности измерительной системы 718
9.9.1.
Определение стабильности передаточной характеристики кабелей 718
9.9.2.
Определение стабильности кабеля по величине согласования 719
9.9.3.
Стабильность трекинга отражения 722
9.10.
Некоторые финальные комментарии 722
Список использованной литературы 723
Приложение A. Физические константы 724
Приложение B. Наиболее распространенные типы ВЧ- и СВЧ-соединителей 725
Приложение C. Наиболее распространенные типы волноводов 727
Приложение D. Параметры полиномиальных моделей мер ХХ и КЗ из состава некоторых
серийных калибровочных комплектов 728
Предметный указатель 731
Предисловие к русскому изданию книги
Дорогие друзья!
Я чрезвычайно рада представить вашему вниманию книгу моего коллеги Джоэля Данс-
мора «Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик век-
торного анализа цепей», русское издание которой вы держите сейчас в руках.
Считаю выход этой по-настоящему настольной книги метрологов и разработчи-
ков на русском языке очень своевременным событием, которое, уверена, не останется
незамеченным.
Задачи развития и совершенствования таких важнейших направлений российской
экономики, как радиоэлектронная и телекоммуникационная отрасли, стоят сейчас не-
обычайно остро, поскольку эти отрасли промышленности обеспечивают функциониро-
вание всех жизненно важных элементов государственной инфраструктуры гражданско-
го и оборонного назначения. При этом растет понимание, что только с использованием
новейших контрольно-измерительных решений на всех без исключения этапах разра-
ботки электронных устройств можно добиться выпуска высококачественной продук-
ции, способной обеспечить успех программы импортозамещения в радиоэлектронике.
Книга Джоэля Дансмора – это практическое руководство по выполнению измере-
ний, и я уверена, что российские метрологи и разработчики по достоинству оценят ее
и, вооружившись знаниями, опытом и рекомендациями автора, станут авторами рос-
сийских прорывных технологий в области СВЧ-электроники.
Отдельно хочу поблагодарить всех, кто способствовал выходу книги на русском язы-
ке, — Евгения Харитонова (старший научный сотрудник Главного научного метрологи-
ческого центра), который не только переводил этот непростой труд на русский язык,
но и вместе с Евгением Андроновым (Keysight Technologies), Константином Рощиным
(Keysight Technologies) и Александром Бондаренко (Главный научный метрологический
центр) отвечал за научную редакцию текста. Весьма ценную работу по редактированию
русского издания книги провели научные сотрудники Томского университета систем
управления и радиоэлектроники (ТУСУР): профессор, доктор физико-математических
наук Гошин Г. Г., старший научный сотрудник, кандидат технических наук Савин А. А.
и старший научный сотрудник, кандидат технических наук Ульянов В. Н.; без их экс-
пертного мнения и деятельного участия в синхронизации русской и английской тер-
минологии русское издание книги Дансмора не было бы столь профессиональным.
Ну и, конечно, особая благодарность издательству РИЦ «ТЕХНОСФЕРА» за сотрудни-
чество и терпение!
Желаем вам больших творческих успехов в работе!
С уважением,
Смирнова Галина Владимировна
генеральный директор Российского отделения Keysight Technologies
Рецензия на книгу Джоэля П. Дансмора
Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей
Среди огромного количества книг по теории электротехники и измерений на сверхвы-
соких частотах (СВЧ) монография Джоэля Дансмора выделяется узкой практической
направленностью и глубиной проработки одного, но крайне важного и актуального во-
проса – применения современных векторных анализаторов цепей (ВАЦ) для измерений
параметров устройств СВЧ-диапазона.
Многолетний опыт автора в проектировании и практическом применении ВАЦ
позволил структурировать большой объем накопленных знаний и изложить их в до-
ступной для читателя форме, а наглядные детально разобранные примеры решения по-
вседневных измерительных задач по измерению параметров основных типов, встречаю-
щихся в инженерной практике СВЧ-устройств, значительно повышают практическую
ценность предлагаемого материала. Все это позволяет надеяться, что данная моногра-
фия станет частью теоретического фундамента в области современных СВЧ-измерений
и будет способствовать повышению эффективности применения российскими инжене-
рами возможностей современных ВАЦ.
С самого начала автор пытается говорить не сухим языком терминов, а с точки зре-
ния культуры и понимания самого измерительного процесса, его места в инженерной
практике и роли измерительного оборудования в целом и ВАЦ в частности. Акцентирует
внимание инженеров на важности понимания того, что они ожидают увидеть на экране
прибора, и весь теоретический аппарат строит вокруг этой концепции.
Представленные материалы будут полезны для инженеров-метрологов, в том числе
при разработке исходных эталонов радиотехнических величин, а также позволят кор-
ректно оценивать метрологические характеристики ВАЦ при их испытаниях. Препо-
даватели и студенты высших учебных заведений, без сомнения, также найдут много по-
лезных сведений, которые можно использовать в процессе обучения.
Малай Иван Михайлович,
д. т. н., заместитель генерального директора ФГУП «ВНИИФТРИ»
по радиотехническим и электромагнитным измерениям
Предисловие
За последние 20 лет радиоэлектронная промышленность претерпела революционные изменения. Эксплуатационные показатели радиоэлектронных систем значительно возросли, габаритные размеры аппаратных средств уменьшились, качество и надежность многократно возросли, а производственные затраты резко сократились. В основе всех этих достижений лежит феноменальный рост возможностей в сфере испытаний и измерений в области высоких частот (ВЧ). Прогресс современного высокочастотного измерительного оборудования достиг той стадии, когда нет ничего необычного в измерениях сигналов, со значением мощности менее минус 100 дБм за доли миллисекунды. Еще более поразительным является появившаяся возможность объединения результатов высокочастотных измерений с аналитическим программным обеспечением, посредством которого испытательное оборудование позволяет строить линейные и нелинейные модели исследуемых устройств, что значительно облегчает жизнь инженера-конструктора, использующего эти возможности.
ВЧ и СВЧ компоненты сыграли важную роль в этих революционных переменах. Размеры компонентов уменьшились, паразитные связи снизились, стандарты качества ужесточились, а стоимость уменьшилась десятикратно. В то же время усовершенствовались измерительные приспособления, соединители и кабели, что позволило обеспечить более высокий уровень точности измерений характеристик на производстве. В совокупности с этими достижениями, инновации в области измерительного оборудования достигли того предела, на котором произошла революция в возможностях выполнения точных и быстрых измерений характеристик ВЧ и СВЧ компонентов. Успех разработчика ВЧ и СВЧ компонентов непосредственно связан с качеством и широтой возможностей определения составляющих эксплуатационных характеристик на всех этапах жизненного цикла продукции: на этапе проектирования, квалификационных испытаний и на этапе производства. С практической точки зрения измерения должны быть быстрыми (1-2 секунды), с очень малой погрешностью (сотые доли дБ) и с высокой степенью повторяемости. Каждый этап жизненного цикла налагает свои уникальные требования к точности измерений и обработке измерительной информации.
На этапе проектирования, полное определение эксплуатационных характеристик, включая амплитуду и фазу, является необходимым условием, чтобы в дальнейшем создать основу для управления процессом серийного производства. Таким образом, это становится важным требованием для того, чтобы охарактеризовать и исключить влияние испытательных стендов и приспособлений, с целью выделения действительных значений эксплуатационных характеристик устройства. К счастью, современный векторный анализатор цепей в этом отношении отвечает всем требованиям. В последствии, характеристики, полученные на этапе проектирования, становятся «золотым стандартом» для статистической оценки отклонений параметров, партий продукции производимых в будущем; на основании статистической оценки результатов среднеквадратического отклонения, наиболее точно определяемого по результатам тестирования или инженером по контролю качества принимается решение о пропуске или браковке партии продукции.
Когда заданы технические требования, предъявляемые к компоненту, очень важно понимать, что эти требования являются просто маркерами, которые позволяют сформировать первое впечатление или обзорный взгляд на эксплуатационные характеристики компонента. И только когда будут получены результаты измерений и графические зависимости для всех эксплуатационных характеристик, включая амплитуду и фазу, тогда станут известны "реальные" эксплуатационные характеристики компонента. Более того, при определении характеристик компонентов по требованию заказчика, важно обеспечить определение их параметров как внутри, так и за пределами документированной полосы. В нелинейных компонентах, таких как смесители частот, генерируются гармоники высокочастотного сигнала и сигнала гетеродина, и в зависимости от волнового сопротивления нагрузки вне документированного частотного диапазона, эти гармоники высших порядков могут отражаться обратно в смеситель, вызывая взаимодействие между полезным сигналом и нежелательными гармониками. К счастью, современные анализаторы могут сделать эти измерения гармоник относительно быстро и легко.
Доктор Дансмор уловил сущность современных измерений. Он дает практическое понимание измерительных возможностей и ограничений. Он предоставляет возможность для инженера-испытателя не только выполнять измерения, но и понять принципы их проведения, предвидеть результаты измерений и изучить, как выделить и охарактеризовать эксплуатационные характеристики тестируемого устройства, независимо от потенциальных ошибок, заложенных в измерительном оборудовании. Я уверен, что эта книга послужит основой для понимания методик выполнения измерений, блок-схем проведения испытаний и возможных ограничений измерений с целью установления на этой общей основе взаимопонимания между производителем и потребителем. У этой книги имеется потенциал, чтобы быть неоценимым ресурсом для дальнейшего прогресса в области ВЧ и СВЧ технологий.
Harvey Kaylie,
Президент и основатель Mini-Circuits.
Введение
Эта книга представляет собой совокупность базовых и передовых понятий, теории и практики. К сожалению границы этих понятий, размыты и зависят в значительной степени от уровня образования и опыта читателя. Прежде всего, эта книга о методах выполнения измерений, но в то же время в ней содержится масса информации о характеристиках устройств. Эта информация будет полезна и для проектировщика и для инженера-испытателя, поскольку одной из целей тестирования является уточнение характеристик устройств, которые не соответствуют упрощенным моделям, обычно используемых для этих устройств. На практике – это непредвиденная реакция на тестовое воздействие, на определение причин, возникновения которой тратится наибольшее количество времени на этапе производства и разработки устройства, особенно это касается активных устройств, таких как усилители и смесители.
Основным инструментом для измерений характеристик СВЧ устройств является векторный анализатор цепей (ВАЦ), измерительные возможности которого существенно возросли с внедрением новейших достижений, что позволило решать намного более широкие задачи, чем просто измерение таких параметров как усиление и согласование. Как проектировщик ВАЦ с более чем тридцатилетним стажем, я принимал участие в обсуждениях по широчайшему перечню измерительных задач в СВЧ диапазоне, от компонентов сотового телефона до спутниковых мультиплексоров. Идея создания и задача этой книги в том, чтобы предоставить читателю совокупность этого опыта для повышения качества и эффективности работы инженеров, специализирующихся в области разработки и на производстве. Основное внимание уделяется современным методикам выполнения измерений; передовые методы изменились в результате расширения возможностей приборов, и зачастую различия между традиционными методиками и новыми достаточно велики, поэтому им необходимо уделить особое внимание.
Глава 1 задумана как введение в теорию электромагнитных волн и устройств СВЧ диапазона. В первой части главы вводятся основные понятия для описания характеристик устройств работающих в ВЧ и СВЧ диапазонах. Также здесь приводятся некоторые важные математические выкладки, которые необходимы для понимания результатов последующих глав. Вторая часть Главы 1 содержит описание некоторых стандартизированных СВЧ соединителей, линий передач и устройств, а так же обсуждается основное измерительное оборудование, используемое в диапазоне СВЧ. Эта глава особенно полезна для инженеров, не имеющих опыта измерений в ВЧ и СВЧ диапазоне.
Глава 2 посвящена детальному рассмотрению устройства типовых ВАЦ и их возможностей (ограничений). Такой уровень детализации обычно не требуется для обычных пользователей, инженеры-испытатели, выполняющие измерения с очень высокой точностью, сочтут полезным рассмотреть, какое влияние на результаты измерений оказывает конфигурация ВАЦ. Современный ВАЦ может решать широкий спектр измерительных задач, включая измерения нелинейных искажений, мощности и коэффициента шума, тем не менее, в основе по-прежнему лежит измерение S-параметров. Вторая часть Главы 2 иллюстрирует ряд полезных характеристик, полученных из S-параметров.
Возможно, наиболее сложным для понимания аспектом измерений с использованием ВАЦ является процесс калибровки и коррекции систематических ошибок. Глава 3 представляет собой обзор моделей ошибок ВАЦ, методик калибровки, а так же анализ погрешностей измерений и оценку остаточных результатов калибровки. В этой главе также вводится понятие калибровки источника и приемника сигнала по уровню мощности, о которых, за исключением этой книги, в настоящее время доступно очень мало систематизированной информации. В этой главе рассматривается ряд практических моментов, которые влияют на качество измерений после калибровки ВАЦ.
Глава 4 вероятно наиболее математически строгая и затрагивает очень полезную тему анализа параметров цепей во временной области, реализованных в ВАЦ. В частности освещена тема стробирования, его эффектов и методов компенсации. Эти первые четыре главы составляют вводный курс в измерения СВЧ компонентов.
Оставшиеся главы сосредоточат внимание читателя на описании частных случаев измерений параметров СВЧ элементов. Глава 5 посвящена пассивным СВЧ устройствам, таким как кабели и соединители, линии передачи, фильтры, вентили и направленные ответвители. Для каждого типа из этих устройств приведены лучшие методики тестирования и способы решения типовых проблем возникающих при этом..
В Главе 6 собраны сведения об измерительных задачах, связанных с усилителями, и все необходимое для их полного описания. Рассмотрены практические вопросы измерения больших значений коэффициента усиления и больших значений выходной мощности, включая импульсные ВЧ измерения. Вводится понятие измерения нелинейных параметров устройства на примере тестирования уровня гармоник и уровня двухтональной интермодуляции, а так же рассмотрены многие методики измерений нелинейных искажений и шумовых параметров, позволяющие для этого использовать равноправно как анализатор спектра, так и измерительный приемник современного ВАЦ.
Глава 7 продолжает рассмотрение измерений параметров активных устройств на примере смесителей. Поскольку у немногих инженеров есть опыт работы со смесителями, и он чаще всего ограничен поверхностным рассмотрением их особенностей на инженерных курсах, глава начинается с детального обсуждения моделей и особенностей конвертеров частоты и смесителей. Методики измерений параметров смесителей могут быть довольно сложными, особенно это касается фазового сдвига или параметров запаздывания сигнала. Приведены несколько ключевых методик выполнения измерений, а так же новый метод калибровки, с применением опорной фазы, подробно описанный впервые. Кроме амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, рассмотрены методы измерения характеристик смесителя в зависимости от уровней мощностей ВЧ сигнала и сигнала гетеродина, а так же измерение нелинейных искажений и шумовых параметров. Эта глава рекомендуется к прочтению всем инженерам, имеющим дело со смесителями или преобразователями частоты.
Глава 8 дает понятие о дифференциальных и балансных устройствах и предоставляет детальное описание методик анализа и измерений параметров дифференциальных устройств, включая нелинейные характеристики, коэффициент шума и искажения.
Глава 9 содержит в себе описание ряда очень полезных для инженера методик и концепций, в особенности касательно вспомогательных измерительных оснасток, включая полное описание создания калибровочных комплектов для них.
Благодарности автора
Многие мои коллеги оказывали помощь в написании и редакции этой книги, и я хотел бы здесь выразить им признательность за помощь. Henri Komrij, мой менеджер по постановке научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, с самого начала оказывал большую поддержку, так же как и Greg Peters, вице президент и генеральный директор Подразделения Испытаний Компонентов. Многие инженеры-испытатели нашей лаборатории помогали в редакции рукописи, и экспертное мнение в каждой из областей их специализации искренне оценено: Keith Anderson, Dara Sarislani, Dave Blackham, Ken Wong, Shinya Goto, Bob Shoulders, Dave Ballo, Clive Barnett, Cheng Ning, Xin Chen, Mihai Marcu и Loren Betts. Они проделали превосходную работу, и любые закравшиеся в текст книги ошибки целиком и полностью я принимаю на свой счет.
Многие новые подходы и методики, представленные здесь, основываются на трудоемком и тщательном внедрении методик и алгоритмов выполнения измерений, и я хотел бы поблагодарить наш коллектив разработчиков программного обеспечения, Johan Ericsson, Sue Wood, Jim Kerr, Phil Hoard, Jade Hughes, Brad Hokkanen, Niels Jensen, Raymond Taylor, Dennis McCarthy, Andy Cannon, Wil Stark, Yu-Chen Hu, Zhi-Wen Wong и Yang Yang, так же как и их менеджерам, Sean Hubert, Qi Gao и Dexter Yamaguchi за всю их многолетнюю помощь по внедрению в наши продукты множества функций, описанных здесь.
Наконец я хотел бы упомянуть здесь доктора Roger Pollard, который будучи моим научным руководителем по написанию докторской диссертации в университете Лидса и коллегой во время его творческих отпусков в HP и Agilent Technologies, предоставлял свои профессиональные советы, наставничество и дружбу; буду по нему очень скучать.
Joel P. Dunsmore
Sebastopol, Калифорния
Список сокращений
АЦП аналого-цифровой преобразователь;
АЧХ амплитудно-частотная характеристика;
БПФ быстрое преобразование Фурье;
ВАЦ векторный анализатор цепей;
ВЧ высокая частота;
ГВЗ групповое время задержки;
ГУН генератор, управляемый напряжением;
ДНА диаграмма направленности антенны;
ДПФ дискретное преобразование Фурье;
ЖИГ железо-иттриевый гранат;
ИКШ измерители коэффициента шума;
ИМ интермодуляция;
ИМИ интермодуляционные искажения;
ИС интегральная схема;
ИУ исследуемое устройство;
КПД коэффициент полезного действия;
КУ коэффициент усиления;
КШ коэффициент шума;
ЛБВ лампа бегущей волны;
МШУ малошумящий усилитель;
НО направленный ответвитель;
ОБПФ обратное быстрое преобразование Фурье;
ОДПФ обратное дискретное преобразование Фурье;
ОПФ обратное преобразование Фурье;
ПАВ поверхностные акустические волны;
ПИМ пассивная интермодуляция;
ПЛМ программируемая логическая матрица;
ПФ полосовой фильтр;
ПЧ промежуточная частота;
СВП структурные возвратные потери;
СВЧ сверхвысокая частота;
СИ средство измерений;
УМ усилитель мощности;
ФВЧ фильтр верхних частот;
ФНЧ фильтр нижних частот;
ФЧХ фазочастотная характеристика;
ШПУ широкополосный усилитель.
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ В СВЧ-ИЗМЕРЕНИЯ
«Измерять значит знать». Это в том числе о науке и искусстве выполнения измерений
параметров СВЧ-устройств. И хотя данная работа полностью основывается на науке,
здесь есть место и искусству. Цель данной работы состоит в том, чтобы рассмотреть но-
вейшие, отвечающие современному техническому уровню методы и методики выпол-
нения измерений и определить оптимальные для каждого из несметного числа СВЧ-
устройств. Следование этой цели естественно приводит к использованию векторного
анализатора цепей (ВАЦ) в качестве базового средства измерений (СИ) в совокупности
с ваттметрами, анализаторами спектра, генераторами сигналов, генераторами шума,
трансформаторами импеданса и другими вспомогательными устройствами.
Стоит отметить, что необходимо с осторожностью использовать термин «опти-
мальный». Он подразумевает, что существует альтернатива между стоимостью и слож-
ностью измерительной системы, временем или продолжительностью измерений,
аналитически вычисленной погрешностью и метрологической прослеживаемостью
к эталонам единиц величин, а также наличие некоторых заранее неизвестных фак-
торов, влияющих на окончательный результат измерений. Для получения наилуч-
шего из возможных результатов измерений, без учета временных и денежных затрат,
можно отправиться в лаборатории Института национальных стандартов и технологий
и отыскать там наилучшие методики, но эти методики далеко не всегда удовлетворят
критериям повседневного или коммерческого использования. Таким образом, суть
состоит в том, чтобы попытаться определить оптимальный баланс между минимиза-
цией погрешностей измерений и практической значимостью методики выполнения
измерений. Одна из ключевых задач данной книги состоит в том, чтобы описать весь
спектр трудностей, с которыми сталкивается инженер, пытаясь тщательно и коррек-
тно определить характеристики конкретного СВЧ-устройства. Содержащиеся здесь
сведения собирались на протяжении десятилетий практической работы и по резуль-
татам решения сотен различных измерительных задач. Некоторые из описанных про-
блем очевидны и распространены, в то время как другие являются неординарными
и редкими. Надеемся, что эта книга поможет читателям сэкономить многие часы ра-
бочего времени.
Большинство математических выкладок в этой книге служат для того, чтобы по-
мочь установить прямую связь между полученными исходными измерительными дан-
ными и вытекающими из них характеристиками. В некоторых случаях эта связь будет
прослежена от начала и до конца, если эта информация не приводилась в ранее опу-
бликованной литературе, в других случаях будут приведены ссылки на существующие
источники. В представленных таблицах и рисунках содержатся ключевые моменты,
из которых следуют многие важные формулы. Математический уровень этой книги
соответствует уровню подготовки студентов старших курсов технических вузов или
инженеров, имеющих базовые знания о применении наиболее распространенных фор-
мул. Так, в математических выкладках предпочтение будет отдаваться суммам вместо
интегралов и конечным разностям вместо производных, а применение понятий дивер-
генции, градиента и ротора будет полностью исключено.
Нижеследующие главы по большей части предназначены для самообразования.
Во вступительных главах в большинстве случаев представлен общий материал по ви-
дам измерений, таким как математический вывод параметров или методы калибровки
и коррекции составляющих систематической погрешности измерений, но ссылки на эти
сведения встречаются и в последующих главах, непосредственно посвященных изме-
рениям. В некоторых случаях приводятся устаревшие методы, представляющие исто-
рический интерес (существует множество книг, описывающих эти методы), но в целом
представлены только самые современные методы. Целевой аудиторией для материала
данной книги являются практикующие инженеры в области СВЧ-техники, сталкиваю-
щиеся с решением современных практических измерительных задач.
1.1. Современный измерительный процесс
В ходе изложения будет использоваться поэтапная шестиступенчатая схема выполнения
измерений, которая охватывает большинство проблемных моментов, возникающих при
выполнении измерений. В соответствии с ней можно выделить следующие этапы изме-
рительного процесса:
1. Оценочные измерения: этот важный первый шаг часто игнорируется, что приводит
к напрасной трате времени на бессмысленные измерения. Во время оценочных изме-
рений грубо определяются некоторые характеристики исследуемого устройства. Также
выполняется общая оценка работоспособности, в ходе которой исследуемое устройство
(ИУ) подключается в измерительную схему и включается, в результате чего дается за-
ключение о его работе в штатном или нештатном режиме. Часто выясняется, что ко-
эффициент усиления, согласование или значения мощности отличаются от ожидае-
мых и, получив эту информацию уже на этом этапе, можно сэкономить много времени
и сил.
2. Оптимизация: после того как выполнены оценочные измерения и грубо опреде-
лены характеристики исследуемого устройства, параметры измерений и измерительная
система могут быть оптимизированы в целях получения наилучших результатов для
данного устройства. Это может потребовать добавления аттенюатора на вход измери-
тельного приемника, или введения вспомогательного усилителя в тракт источника сиг-
нала, или просто изменения количества частотных точек, чтобы захватить и корректно
отобразить действительную характеристику исследуемого устройства. В зависимости
от ожидаемых характеристик конкретного исследуемого устройства и от требуемой по-
грешности измерений могут быть выбраны различные методы и средства калибровки.
3. Калибровка: многие пользователи приступают к этому этапу только в тех случаях,
когда что-то в настройках измерительного оборудования не обеспечивает выполнения
важных условий, и вынуждены вернуться к шагу один, повторно провести оценочные
измерения и оптимизацию перед повторной калибровкой. Калибровка — это про-
цесс определения собственных параметров измерительной системы в целях исключе-
ния или частичной компенсации некоторых составляющих систематической погреш-
ности измерений. Калибровка не сводится к получению сертификата о калибровке
и соответствующей бирки на прибор, это в действительности является первым шагом,
шагом определения в процессе «коррекции ошибок» (коррекции составляющих систе-
матической погрешности измерений), который позволяет получать более качественные
и точные результаты измерений.
4. Измерение: наконец, на вход ИУ подается некоторое тестовое воздействие (зон-
довый сигнал) и измеряется его отклик на это воздействие. В процессе выполнения из-
мерений, наравне с формулировкой измерительной задачи, должны быть рассмотрены
и взвешены многие параметры тестового воздействия. Они включают не только специ-
фические условия измерений, но также и априорные данные, такие как предшествую-
щие режимы работы по уровню входной мощности для вычисления нелинейных харак-
теристик тестируемого устройства.
5. Обработка результатов измерений: после получения необработанных результатов
измерений для получения скорректированных результатов к ним необходимо применить
параметры коррекции ошибок (прикладной шаг процесса коррекции систематической
погрешности измерений). На этом этапе результаты измерений могут быть подвергнуты
математической обработке для получения более удобных в использовании показателей
качества ИУ в целях их дальнейшей систематизации, выявления имеющихся законо-
мерностей и сравнения с данными, полученными при других условиях измерений, что
обеспечивает более полезный с практической точки зрения взгляд на ИУ.
6. Сохранение результатов измерений: заключительный этап — сохранение результа-
тов измерений в удобном для дальнейшего использования виде. Порой это может быть
простое сохранение информации с экрана в виде графического файла (скриншота),
но чаще всего это означает сохранение результатов в таком виде, чтобы их можно было
использовать для последующего анализа и моделирования.
1.2. Практический взгляд на измерения
Методики, используемые для измерения параметров устройств в мире микрокомпонен-
тов, кардинально отличаются в зависимости от конкретных свойств и характеристик
устройств. Таким образом, первым шагом в описании оптимальных методик выполне-
ния измерений является понимание ожидаемого поведения исследуемого устройства.
В описании параметров СВЧ-устройств и методик их измерений желательно вернуться
к базовым принципам и вывести все математические соотношения, лежащие в основе
каждого устройства и описания процедуры измерения, но это привело бы к увеличению
объема книги до нескольких томов. По такому принципу можно было бы, без преуве-
личения, написать по книге для каждого отдельно взятого устройства. В данной книге
основное внимание мы уделим только конечным результатам анализа, которые могут
быть использованы с практической пользой в ходе измерений параметров тестируемых
компонентов и устройств; все используемые формулы представлены в своем конечном
виде, без вывода.
Есть книги по СВЧ-измерениям, изданные в национальных лабораториях стан-
дартов, таких как Национальный институт стандартов и технологий (NIST, США) или
Национальная физическая лаборатория (NPL, Великобритания), в которых особое
внимание сосредоточено на метрологической стороне измерений [1], но методы, опи-
санные в них, не очень хорошо подходят или вообще не подходят для коммерческого
использования. Основное внимание в этой книге сосредоточено на практических
примерах измерений характеристик устройств, нашедших коммерческое применение
в аэрокосмической и оборонной отраслях промышленности. Основной задачей измере-
ний, рассматриваемых ниже, будет определение параметров, необходимых для контро-
ля качества производства или иных коммерческих приложений, а не метрологические
изыскания, актуальные для национальных лабораторий.
Кроме того, существует множество обобщенных описаний параметров устройств
или их идеализированных моделей, а также большой объем научного анализа этих
идеализированных устройств. На практике же данные устройства имеют значительные
паразитные характеристики, которые приводят к существенным различиям в их по-
ведении относительно описанного в учебниках. И, к сожалению, эффекты, вызванные
наличием этих паразитных характеристик, часто недостаточно просты для понимания
или их рассмотрение затруднено в аналитическом смысле, и проявляются они только
в ходе фактических измерений параметров физического устройства. В этой главе описан
идеализированный анализ многих устройств, и описания дополнены их реальными па-
разитными характеристиками, которые вызывают отклонение результатов измерений
выходных характеристик реальных устройств от ожидаемых результатов, полученных
в ходе анализа их идеализированных моделей.
1.3. Описание параметров СВЧ-устройств
В этом разделе большая часть характеристик, использованных для описания СВЧ-
устройств, получена из фундаментальных измерений напряжения и тока на измеритель-
ных портах. Для упрощения математических выкладок сосредоточим наше внимание
на измерениях, выполняемых при условии нагрузки измерительного порта на веще-
ственные значения импеданса в целях проведения прямых математических преобразо-
ваний, готовых к практическому применению.
В СВЧ-измерениях фундаментальным измеряемым параметром является мощ-
ность. Одной из ключевых целей проектирования схем СВЧ-устройств является опти-
мизация передачи мощности от одной цепи к другой, например от усилителя к антенне.
В мире СВЧ-устройств мощность почти всегда упоминается как падающая или отра-
женная в контексте ее распространения вдоль передающей структуры. Концепция бе-
гущих волн имеет фундаментальное значение для понимания СВЧ-измерений и может
вызвать затруднения не только у инженеров, не прошедших курса электродинамики
и распространения радиоволн, но даже у тех, кто имеет базовое понятие об особенно-
стях распространения радиоволн.
1.3.1. Базовые знания об S-параметрах
Математический аппарат S-параметров был разработан для измерений в СВЧ-диапазоне
и напрямую связан с напряжениями и токами. В этом разделе будет введено понятие
бегущих волн, на основе которого определяются S-параметры. Чтобы облегчить пони-
мание данной темы, мы не просто приведем конечные выражения, но выполним их по-
следовательный вывод — от простого к сложному.
Сигнал, распространяющийся вдоль линии передачи, известен как бегущая волна
[2] и имеет прямую и обратную составляющие. На рис. 1.1 показана схема двухпровод-
ной линии передачи с источником сигнала и нагрузкой.
Дорогие друзья!
Я чрезвычайно рада представить вашему вниманию книгу моего коллеги Джоэля Данс-
мора «Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик век-
торного анализа цепей», русское издание которой вы держите сейчас в руках.
Считаю выход этой по-настоящему настольной книги метрологов и разработчи-
ков на русском языке очень своевременным событием, которое, уверена, не останется
незамеченным.
Задачи развития и совершенствования таких важнейших направлений российской
экономики, как радиоэлектронная и телекоммуникационная отрасли, стоят сейчас не-
обычайно остро, поскольку эти отрасли промышленности обеспечивают функциониро-
вание всех жизненно важных элементов государственной инфраструктуры гражданско-
го и оборонного назначения. При этом растет понимание, что только с использованием
новейших контрольно-измерительных решений на всех без исключения этапах разра-
ботки электронных устройств можно добиться выпуска высококачественной продук-
ции, способной обеспечить успех программы импортозамещения в радиоэлектронике.
Книга Джоэля Дансмора – это практическое руководство по выполнению измере-
ний, и я уверена, что российские метрологи и разработчики по достоинству оценят ее
и, вооружившись знаниями, опытом и рекомендациями автора, станут авторами рос-
сийских прорывных технологий в области СВЧ-электроники.
Отдельно хочу поблагодарить всех, кто способствовал выходу книги на русском язы-
ке, — Евгения Харитонова (старший научный сотрудник Главного научного метрологи-
ческого центра), который не только переводил этот непростой труд на русский язык,
но и вместе с Евгением Андроновым (Keysight Technologies), Константином Рощиным
(Keysight Technologies) и Александром Бондаренко (Главный научный метрологический
центр) отвечал за научную редакцию текста. Весьма ценную работу по редактированию
русского издания книги провели научные сотрудники Томского университета систем
управления и радиоэлектроники (ТУСУР): профессор, доктор физико-математических
наук Гошин Г. Г., старший научный сотрудник, кандидат технических наук Савин А. А.
и старший научный сотрудник, кандидат технических наук Ульянов В. Н.; без их экс-
пертного мнения и деятельного участия в синхронизации русской и английской тер-
минологии русское издание книги Дансмора не было бы столь профессиональным.
Ну и, конечно, особая благодарность издательству РИЦ «ТЕХНОСФЕРА» за сотрудни-
чество и терпение!
Желаем вам больших творческих успехов в работе!
С уважением,
Смирнова Галина Владимировна
генеральный директор Российского отделения Keysight Technologies
Рецензия на книгу Джоэля П. Дансмора
Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей
Среди огромного количества книг по теории электротехники и измерений на сверхвы-
соких частотах (СВЧ) монография Джоэля Дансмора выделяется узкой практической
направленностью и глубиной проработки одного, но крайне важного и актуального во-
проса – применения современных векторных анализаторов цепей (ВАЦ) для измерений
параметров устройств СВЧ-диапазона.
Многолетний опыт автора в проектировании и практическом применении ВАЦ
позволил структурировать большой объем накопленных знаний и изложить их в до-
ступной для читателя форме, а наглядные детально разобранные примеры решения по-
вседневных измерительных задач по измерению параметров основных типов, встречаю-
щихся в инженерной практике СВЧ-устройств, значительно повышают практическую
ценность предлагаемого материала. Все это позволяет надеяться, что данная моногра-
фия станет частью теоретического фундамента в области современных СВЧ-измерений
и будет способствовать повышению эффективности применения российскими инжене-
рами возможностей современных ВАЦ.
С самого начала автор пытается говорить не сухим языком терминов, а с точки зре-
ния культуры и понимания самого измерительного процесса, его места в инженерной
практике и роли измерительного оборудования в целом и ВАЦ в частности. Акцентирует
внимание инженеров на важности понимания того, что они ожидают увидеть на экране
прибора, и весь теоретический аппарат строит вокруг этой концепции.
Представленные материалы будут полезны для инженеров-метрологов, в том числе
при разработке исходных эталонов радиотехнических величин, а также позволят кор-
ректно оценивать метрологические характеристики ВАЦ при их испытаниях. Препо-
даватели и студенты высших учебных заведений, без сомнения, также найдут много по-
лезных сведений, которые можно использовать в процессе обучения.
Малай Иван Михайлович,
д. т. н., заместитель генерального директора ФГУП «ВНИИФТРИ»
по радиотехническим и электромагнитным измерениям
Предисловие
За последние 20 лет радиоэлектронная промышленность претерпела революционные изменения. Эксплуатационные показатели радиоэлектронных систем значительно возросли, габаритные размеры аппаратных средств уменьшились, качество и надежность многократно возросли, а производственные затраты резко сократились. В основе всех этих достижений лежит феноменальный рост возможностей в сфере испытаний и измерений в области высоких частот (ВЧ). Прогресс современного высокочастотного измерительного оборудования достиг той стадии, когда нет ничего необычного в измерениях сигналов, со значением мощности менее минус 100 дБм за доли миллисекунды. Еще более поразительным является появившаяся возможность объединения результатов высокочастотных измерений с аналитическим программным обеспечением, посредством которого испытательное оборудование позволяет строить линейные и нелинейные модели исследуемых устройств, что значительно облегчает жизнь инженера-конструктора, использующего эти возможности.
ВЧ и СВЧ компоненты сыграли важную роль в этих революционных переменах. Размеры компонентов уменьшились, паразитные связи снизились, стандарты качества ужесточились, а стоимость уменьшилась десятикратно. В то же время усовершенствовались измерительные приспособления, соединители и кабели, что позволило обеспечить более высокий уровень точности измерений характеристик на производстве. В совокупности с этими достижениями, инновации в области измерительного оборудования достигли того предела, на котором произошла революция в возможностях выполнения точных и быстрых измерений характеристик ВЧ и СВЧ компонентов. Успех разработчика ВЧ и СВЧ компонентов непосредственно связан с качеством и широтой возможностей определения составляющих эксплуатационных характеристик на всех этапах жизненного цикла продукции: на этапе проектирования, квалификационных испытаний и на этапе производства. С практической точки зрения измерения должны быть быстрыми (1-2 секунды), с очень малой погрешностью (сотые доли дБ) и с высокой степенью повторяемости. Каждый этап жизненного цикла налагает свои уникальные требования к точности измерений и обработке измерительной информации.
На этапе проектирования, полное определение эксплуатационных характеристик, включая амплитуду и фазу, является необходимым условием, чтобы в дальнейшем создать основу для управления процессом серийного производства. Таким образом, это становится важным требованием для того, чтобы охарактеризовать и исключить влияние испытательных стендов и приспособлений, с целью выделения действительных значений эксплуатационных характеристик устройства. К счастью, современный векторный анализатор цепей в этом отношении отвечает всем требованиям. В последствии, характеристики, полученные на этапе проектирования, становятся «золотым стандартом» для статистической оценки отклонений параметров, партий продукции производимых в будущем; на основании статистической оценки результатов среднеквадратического отклонения, наиболее точно определяемого по результатам тестирования или инженером по контролю качества принимается решение о пропуске или браковке партии продукции.
Когда заданы технические требования, предъявляемые к компоненту, очень важно понимать, что эти требования являются просто маркерами, которые позволяют сформировать первое впечатление или обзорный взгляд на эксплуатационные характеристики компонента. И только когда будут получены результаты измерений и графические зависимости для всех эксплуатационных характеристик, включая амплитуду и фазу, тогда станут известны "реальные" эксплуатационные характеристики компонента. Более того, при определении характеристик компонентов по требованию заказчика, важно обеспечить определение их параметров как внутри, так и за пределами документированной полосы. В нелинейных компонентах, таких как смесители частот, генерируются гармоники высокочастотного сигнала и сигнала гетеродина, и в зависимости от волнового сопротивления нагрузки вне документированного частотного диапазона, эти гармоники высших порядков могут отражаться обратно в смеситель, вызывая взаимодействие между полезным сигналом и нежелательными гармониками. К счастью, современные анализаторы могут сделать эти измерения гармоник относительно быстро и легко.
Доктор Дансмор уловил сущность современных измерений. Он дает практическое понимание измерительных возможностей и ограничений. Он предоставляет возможность для инженера-испытателя не только выполнять измерения, но и понять принципы их проведения, предвидеть результаты измерений и изучить, как выделить и охарактеризовать эксплуатационные характеристики тестируемого устройства, независимо от потенциальных ошибок, заложенных в измерительном оборудовании. Я уверен, что эта книга послужит основой для понимания методик выполнения измерений, блок-схем проведения испытаний и возможных ограничений измерений с целью установления на этой общей основе взаимопонимания между производителем и потребителем. У этой книги имеется потенциал, чтобы быть неоценимым ресурсом для дальнейшего прогресса в области ВЧ и СВЧ технологий.
Harvey Kaylie,
Президент и основатель Mini-Circuits.
Введение
Эта книга представляет собой совокупность базовых и передовых понятий, теории и практики. К сожалению границы этих понятий, размыты и зависят в значительной степени от уровня образования и опыта читателя. Прежде всего, эта книга о методах выполнения измерений, но в то же время в ней содержится масса информации о характеристиках устройств. Эта информация будет полезна и для проектировщика и для инженера-испытателя, поскольку одной из целей тестирования является уточнение характеристик устройств, которые не соответствуют упрощенным моделям, обычно используемых для этих устройств. На практике – это непредвиденная реакция на тестовое воздействие, на определение причин, возникновения которой тратится наибольшее количество времени на этапе производства и разработки устройства, особенно это касается активных устройств, таких как усилители и смесители.
Основным инструментом для измерений характеристик СВЧ устройств является векторный анализатор цепей (ВАЦ), измерительные возможности которого существенно возросли с внедрением новейших достижений, что позволило решать намного более широкие задачи, чем просто измерение таких параметров как усиление и согласование. Как проектировщик ВАЦ с более чем тридцатилетним стажем, я принимал участие в обсуждениях по широчайшему перечню измерительных задач в СВЧ диапазоне, от компонентов сотового телефона до спутниковых мультиплексоров. Идея создания и задача этой книги в том, чтобы предоставить читателю совокупность этого опыта для повышения качества и эффективности работы инженеров, специализирующихся в области разработки и на производстве. Основное внимание уделяется современным методикам выполнения измерений; передовые методы изменились в результате расширения возможностей приборов, и зачастую различия между традиционными методиками и новыми достаточно велики, поэтому им необходимо уделить особое внимание.
Глава 1 задумана как введение в теорию электромагнитных волн и устройств СВЧ диапазона. В первой части главы вводятся основные понятия для описания характеристик устройств работающих в ВЧ и СВЧ диапазонах. Также здесь приводятся некоторые важные математические выкладки, которые необходимы для понимания результатов последующих глав. Вторая часть Главы 1 содержит описание некоторых стандартизированных СВЧ соединителей, линий передач и устройств, а так же обсуждается основное измерительное оборудование, используемое в диапазоне СВЧ. Эта глава особенно полезна для инженеров, не имеющих опыта измерений в ВЧ и СВЧ диапазоне.
Глава 2 посвящена детальному рассмотрению устройства типовых ВАЦ и их возможностей (ограничений). Такой уровень детализации обычно не требуется для обычных пользователей, инженеры-испытатели, выполняющие измерения с очень высокой точностью, сочтут полезным рассмотреть, какое влияние на результаты измерений оказывает конфигурация ВАЦ. Современный ВАЦ может решать широкий спектр измерительных задач, включая измерения нелинейных искажений, мощности и коэффициента шума, тем не менее, в основе по-прежнему лежит измерение S-параметров. Вторая часть Главы 2 иллюстрирует ряд полезных характеристик, полученных из S-параметров.
Возможно, наиболее сложным для понимания аспектом измерений с использованием ВАЦ является процесс калибровки и коррекции систематических ошибок. Глава 3 представляет собой обзор моделей ошибок ВАЦ, методик калибровки, а так же анализ погрешностей измерений и оценку остаточных результатов калибровки. В этой главе также вводится понятие калибровки источника и приемника сигнала по уровню мощности, о которых, за исключением этой книги, в настоящее время доступно очень мало систематизированной информации. В этой главе рассматривается ряд практических моментов, которые влияют на качество измерений после калибровки ВАЦ.
Глава 4 вероятно наиболее математически строгая и затрагивает очень полезную тему анализа параметров цепей во временной области, реализованных в ВАЦ. В частности освещена тема стробирования, его эффектов и методов компенсации. Эти первые четыре главы составляют вводный курс в измерения СВЧ компонентов.
Оставшиеся главы сосредоточат внимание читателя на описании частных случаев измерений параметров СВЧ элементов. Глава 5 посвящена пассивным СВЧ устройствам, таким как кабели и соединители, линии передачи, фильтры, вентили и направленные ответвители. Для каждого типа из этих устройств приведены лучшие методики тестирования и способы решения типовых проблем возникающих при этом..
В Главе 6 собраны сведения об измерительных задачах, связанных с усилителями, и все необходимое для их полного описания. Рассмотрены практические вопросы измерения больших значений коэффициента усиления и больших значений выходной мощности, включая импульсные ВЧ измерения. Вводится понятие измерения нелинейных параметров устройства на примере тестирования уровня гармоник и уровня двухтональной интермодуляции, а так же рассмотрены многие методики измерений нелинейных искажений и шумовых параметров, позволяющие для этого использовать равноправно как анализатор спектра, так и измерительный приемник современного ВАЦ.
Глава 7 продолжает рассмотрение измерений параметров активных устройств на примере смесителей. Поскольку у немногих инженеров есть опыт работы со смесителями, и он чаще всего ограничен поверхностным рассмотрением их особенностей на инженерных курсах, глава начинается с детального обсуждения моделей и особенностей конвертеров частоты и смесителей. Методики измерений параметров смесителей могут быть довольно сложными, особенно это касается фазового сдвига или параметров запаздывания сигнала. Приведены несколько ключевых методик выполнения измерений, а так же новый метод калибровки, с применением опорной фазы, подробно описанный впервые. Кроме амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, рассмотрены методы измерения характеристик смесителя в зависимости от уровней мощностей ВЧ сигнала и сигнала гетеродина, а так же измерение нелинейных искажений и шумовых параметров. Эта глава рекомендуется к прочтению всем инженерам, имеющим дело со смесителями или преобразователями частоты.
Глава 8 дает понятие о дифференциальных и балансных устройствах и предоставляет детальное описание методик анализа и измерений параметров дифференциальных устройств, включая нелинейные характеристики, коэффициент шума и искажения.
Глава 9 содержит в себе описание ряда очень полезных для инженера методик и концепций, в особенности касательно вспомогательных измерительных оснасток, включая полное описание создания калибровочных комплектов для них.
Благодарности автора
Многие мои коллеги оказывали помощь в написании и редакции этой книги, и я хотел бы здесь выразить им признательность за помощь. Henri Komrij, мой менеджер по постановке научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, с самого начала оказывал большую поддержку, так же как и Greg Peters, вице президент и генеральный директор Подразделения Испытаний Компонентов. Многие инженеры-испытатели нашей лаборатории помогали в редакции рукописи, и экспертное мнение в каждой из областей их специализации искренне оценено: Keith Anderson, Dara Sarislani, Dave Blackham, Ken Wong, Shinya Goto, Bob Shoulders, Dave Ballo, Clive Barnett, Cheng Ning, Xin Chen, Mihai Marcu и Loren Betts. Они проделали превосходную работу, и любые закравшиеся в текст книги ошибки целиком и полностью я принимаю на свой счет.
Многие новые подходы и методики, представленные здесь, основываются на трудоемком и тщательном внедрении методик и алгоритмов выполнения измерений, и я хотел бы поблагодарить наш коллектив разработчиков программного обеспечения, Johan Ericsson, Sue Wood, Jim Kerr, Phil Hoard, Jade Hughes, Brad Hokkanen, Niels Jensen, Raymond Taylor, Dennis McCarthy, Andy Cannon, Wil Stark, Yu-Chen Hu, Zhi-Wen Wong и Yang Yang, так же как и их менеджерам, Sean Hubert, Qi Gao и Dexter Yamaguchi за всю их многолетнюю помощь по внедрению в наши продукты множества функций, описанных здесь.
Наконец я хотел бы упомянуть здесь доктора Roger Pollard, который будучи моим научным руководителем по написанию докторской диссертации в университете Лидса и коллегой во время его творческих отпусков в HP и Agilent Technologies, предоставлял свои профессиональные советы, наставничество и дружбу; буду по нему очень скучать.
Joel P. Dunsmore
Sebastopol, Калифорния
Список сокращений
АЦП аналого-цифровой преобразователь;
АЧХ амплитудно-частотная характеристика;
БПФ быстрое преобразование Фурье;
ВАЦ векторный анализатор цепей;
ВЧ высокая частота;
ГВЗ групповое время задержки;
ГУН генератор, управляемый напряжением;
ДНА диаграмма направленности антенны;
ДПФ дискретное преобразование Фурье;
ЖИГ железо-иттриевый гранат;
ИКШ измерители коэффициента шума;
ИМ интермодуляция;
ИМИ интермодуляционные искажения;
ИС интегральная схема;
ИУ исследуемое устройство;
КПД коэффициент полезного действия;
КУ коэффициент усиления;
КШ коэффициент шума;
ЛБВ лампа бегущей волны;
МШУ малошумящий усилитель;
НО направленный ответвитель;
ОБПФ обратное быстрое преобразование Фурье;
ОДПФ обратное дискретное преобразование Фурье;
ОПФ обратное преобразование Фурье;
ПАВ поверхностные акустические волны;
ПИМ пассивная интермодуляция;
ПЛМ программируемая логическая матрица;
ПФ полосовой фильтр;
ПЧ промежуточная частота;
СВП структурные возвратные потери;
СВЧ сверхвысокая частота;
СИ средство измерений;
УМ усилитель мощности;
ФВЧ фильтр верхних частот;
ФНЧ фильтр нижних частот;
ФЧХ фазочастотная характеристика;
ШПУ широкополосный усилитель.
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ В СВЧ-ИЗМЕРЕНИЯ
«Измерять значит знать». Это в том числе о науке и искусстве выполнения измерений
параметров СВЧ-устройств. И хотя данная работа полностью основывается на науке,
здесь есть место и искусству. Цель данной работы состоит в том, чтобы рассмотреть но-
вейшие, отвечающие современному техническому уровню методы и методики выпол-
нения измерений и определить оптимальные для каждого из несметного числа СВЧ-
устройств. Следование этой цели естественно приводит к использованию векторного
анализатора цепей (ВАЦ) в качестве базового средства измерений (СИ) в совокупности
с ваттметрами, анализаторами спектра, генераторами сигналов, генераторами шума,
трансформаторами импеданса и другими вспомогательными устройствами.
Стоит отметить, что необходимо с осторожностью использовать термин «опти-
мальный». Он подразумевает, что существует альтернатива между стоимостью и слож-
ностью измерительной системы, временем или продолжительностью измерений,
аналитически вычисленной погрешностью и метрологической прослеживаемостью
к эталонам единиц величин, а также наличие некоторых заранее неизвестных фак-
торов, влияющих на окончательный результат измерений. Для получения наилуч-
шего из возможных результатов измерений, без учета временных и денежных затрат,
можно отправиться в лаборатории Института национальных стандартов и технологий
и отыскать там наилучшие методики, но эти методики далеко не всегда удовлетворят
критериям повседневного или коммерческого использования. Таким образом, суть
состоит в том, чтобы попытаться определить оптимальный баланс между минимиза-
цией погрешностей измерений и практической значимостью методики выполнения
измерений. Одна из ключевых задач данной книги состоит в том, чтобы описать весь
спектр трудностей, с которыми сталкивается инженер, пытаясь тщательно и коррек-
тно определить характеристики конкретного СВЧ-устройства. Содержащиеся здесь
сведения собирались на протяжении десятилетий практической работы и по резуль-
татам решения сотен различных измерительных задач. Некоторые из описанных про-
блем очевидны и распространены, в то время как другие являются неординарными
и редкими. Надеемся, что эта книга поможет читателям сэкономить многие часы ра-
бочего времени.
Большинство математических выкладок в этой книге служат для того, чтобы по-
мочь установить прямую связь между полученными исходными измерительными дан-
ными и вытекающими из них характеристиками. В некоторых случаях эта связь будет
прослежена от начала и до конца, если эта информация не приводилась в ранее опу-
бликованной литературе, в других случаях будут приведены ссылки на существующие
источники. В представленных таблицах и рисунках содержатся ключевые моменты,
из которых следуют многие важные формулы. Математический уровень этой книги
соответствует уровню подготовки студентов старших курсов технических вузов или
инженеров, имеющих базовые знания о применении наиболее распространенных фор-
мул. Так, в математических выкладках предпочтение будет отдаваться суммам вместо
интегралов и конечным разностям вместо производных, а применение понятий дивер-
генции, градиента и ротора будет полностью исключено.
Нижеследующие главы по большей части предназначены для самообразования.
Во вступительных главах в большинстве случаев представлен общий материал по ви-
дам измерений, таким как математический вывод параметров или методы калибровки
и коррекции составляющих систематической погрешности измерений, но ссылки на эти
сведения встречаются и в последующих главах, непосредственно посвященных изме-
рениям. В некоторых случаях приводятся устаревшие методы, представляющие исто-
рический интерес (существует множество книг, описывающих эти методы), но в целом
представлены только самые современные методы. Целевой аудиторией для материала
данной книги являются практикующие инженеры в области СВЧ-техники, сталкиваю-
щиеся с решением современных практических измерительных задач.
1.1. Современный измерительный процесс
В ходе изложения будет использоваться поэтапная шестиступенчатая схема выполнения
измерений, которая охватывает большинство проблемных моментов, возникающих при
выполнении измерений. В соответствии с ней можно выделить следующие этапы изме-
рительного процесса:
1. Оценочные измерения: этот важный первый шаг часто игнорируется, что приводит
к напрасной трате времени на бессмысленные измерения. Во время оценочных изме-
рений грубо определяются некоторые характеристики исследуемого устройства. Также
выполняется общая оценка работоспособности, в ходе которой исследуемое устройство
(ИУ) подключается в измерительную схему и включается, в результате чего дается за-
ключение о его работе в штатном или нештатном режиме. Часто выясняется, что ко-
эффициент усиления, согласование или значения мощности отличаются от ожидае-
мых и, получив эту информацию уже на этом этапе, можно сэкономить много времени
и сил.
2. Оптимизация: после того как выполнены оценочные измерения и грубо опреде-
лены характеристики исследуемого устройства, параметры измерений и измерительная
система могут быть оптимизированы в целях получения наилучших результатов для
данного устройства. Это может потребовать добавления аттенюатора на вход измери-
тельного приемника, или введения вспомогательного усилителя в тракт источника сиг-
нала, или просто изменения количества частотных точек, чтобы захватить и корректно
отобразить действительную характеристику исследуемого устройства. В зависимости
от ожидаемых характеристик конкретного исследуемого устройства и от требуемой по-
грешности измерений могут быть выбраны различные методы и средства калибровки.
3. Калибровка: многие пользователи приступают к этому этапу только в тех случаях,
когда что-то в настройках измерительного оборудования не обеспечивает выполнения
важных условий, и вынуждены вернуться к шагу один, повторно провести оценочные
измерения и оптимизацию перед повторной калибровкой. Калибровка — это про-
цесс определения собственных параметров измерительной системы в целях исключе-
ния или частичной компенсации некоторых составляющих систематической погреш-
ности измерений. Калибровка не сводится к получению сертификата о калибровке
и соответствующей бирки на прибор, это в действительности является первым шагом,
шагом определения в процессе «коррекции ошибок» (коррекции составляющих систе-
матической погрешности измерений), который позволяет получать более качественные
и точные результаты измерений.
4. Измерение: наконец, на вход ИУ подается некоторое тестовое воздействие (зон-
довый сигнал) и измеряется его отклик на это воздействие. В процессе выполнения из-
мерений, наравне с формулировкой измерительной задачи, должны быть рассмотрены
и взвешены многие параметры тестового воздействия. Они включают не только специ-
фические условия измерений, но также и априорные данные, такие как предшествую-
щие режимы работы по уровню входной мощности для вычисления нелинейных харак-
теристик тестируемого устройства.
5. Обработка результатов измерений: после получения необработанных результатов
измерений для получения скорректированных результатов к ним необходимо применить
параметры коррекции ошибок (прикладной шаг процесса коррекции систематической
погрешности измерений). На этом этапе результаты измерений могут быть подвергнуты
математической обработке для получения более удобных в использовании показателей
качества ИУ в целях их дальнейшей систематизации, выявления имеющихся законо-
мерностей и сравнения с данными, полученными при других условиях измерений, что
обеспечивает более полезный с практической точки зрения взгляд на ИУ.
6. Сохранение результатов измерений: заключительный этап — сохранение результа-
тов измерений в удобном для дальнейшего использования виде. Порой это может быть
простое сохранение информации с экрана в виде графического файла (скриншота),
но чаще всего это означает сохранение результатов в таком виде, чтобы их можно было
использовать для последующего анализа и моделирования.
1.2. Практический взгляд на измерения
Методики, используемые для измерения параметров устройств в мире микрокомпонен-
тов, кардинально отличаются в зависимости от конкретных свойств и характеристик
устройств. Таким образом, первым шагом в описании оптимальных методик выполне-
ния измерений является понимание ожидаемого поведения исследуемого устройства.
В описании параметров СВЧ-устройств и методик их измерений желательно вернуться
к базовым принципам и вывести все математические соотношения, лежащие в основе
каждого устройства и описания процедуры измерения, но это привело бы к увеличению
объема книги до нескольких томов. По такому принципу можно было бы, без преуве-
личения, написать по книге для каждого отдельно взятого устройства. В данной книге
основное внимание мы уделим только конечным результатам анализа, которые могут
быть использованы с практической пользой в ходе измерений параметров тестируемых
компонентов и устройств; все используемые формулы представлены в своем конечном
виде, без вывода.
Есть книги по СВЧ-измерениям, изданные в национальных лабораториях стан-
дартов, таких как Национальный институт стандартов и технологий (NIST, США) или
Национальная физическая лаборатория (NPL, Великобритания), в которых особое
внимание сосредоточено на метрологической стороне измерений [1], но методы, опи-
санные в них, не очень хорошо подходят или вообще не подходят для коммерческого
использования. Основное внимание в этой книге сосредоточено на практических
примерах измерений характеристик устройств, нашедших коммерческое применение
в аэрокосмической и оборонной отраслях промышленности. Основной задачей измере-
ний, рассматриваемых ниже, будет определение параметров, необходимых для контро-
ля качества производства или иных коммерческих приложений, а не метрологические
изыскания, актуальные для национальных лабораторий.
Кроме того, существует множество обобщенных описаний параметров устройств
или их идеализированных моделей, а также большой объем научного анализа этих
идеализированных устройств. На практике же данные устройства имеют значительные
паразитные характеристики, которые приводят к существенным различиям в их по-
ведении относительно описанного в учебниках. И, к сожалению, эффекты, вызванные
наличием этих паразитных характеристик, часто недостаточно просты для понимания
или их рассмотрение затруднено в аналитическом смысле, и проявляются они только
в ходе фактических измерений параметров физического устройства. В этой главе описан
идеализированный анализ многих устройств, и описания дополнены их реальными па-
разитными характеристиками, которые вызывают отклонение результатов измерений
выходных характеристик реальных устройств от ожидаемых результатов, полученных
в ходе анализа их идеализированных моделей.
1.3. Описание параметров СВЧ-устройств
В этом разделе большая часть характеристик, использованных для описания СВЧ-
устройств, получена из фундаментальных измерений напряжения и тока на измеритель-
ных портах. Для упрощения математических выкладок сосредоточим наше внимание
на измерениях, выполняемых при условии нагрузки измерительного порта на веще-
ственные значения импеданса в целях проведения прямых математических преобразо-
ваний, готовых к практическому применению.
В СВЧ-измерениях фундаментальным измеряемым параметром является мощ-
ность. Одной из ключевых целей проектирования схем СВЧ-устройств является опти-
мизация передачи мощности от одной цепи к другой, например от усилителя к антенне.
В мире СВЧ-устройств мощность почти всегда упоминается как падающая или отра-
женная в контексте ее распространения вдоль передающей структуры. Концепция бе-
гущих волн имеет фундаментальное значение для понимания СВЧ-измерений и может
вызвать затруднения не только у инженеров, не прошедших курса электродинамики
и распространения радиоволн, но даже у тех, кто имеет базовое понятие об особенно-
стях распространения радиоволн.
1.3.1. Базовые знания об S-параметрах
Математический аппарат S-параметров был разработан для измерений в СВЧ-диапазоне
и напрямую связан с напряжениями и токами. В этом разделе будет введено понятие
бегущих волн, на основе которого определяются S-параметры. Чтобы облегчить пони-
мание данной темы, мы не просто приведем конечные выражения, но выполним их по-
следовательный вывод — от простого к сложному.
Сигнал, распространяющийся вдоль линии передачи, известен как бегущая волна
[2] и имеет прямую и обратную составляющие. На рис. 1.1 показана схема двухпровод-
ной линии передачи с источником сигнала и нагрузкой.