Современные технологии и системы автоматизированного измерения на СВЧ

некоторой конечной мощности Pкон . Предельный диапазон, образуемый минимально возможной

Pнач , равной Pmin , и максимально возможной Pкон , равной Pmax – важный фактор эффективности.

Отношение Pmax / Pmin (или его децибельную меру 10 lg(Pmax / Pmin ) ) можно назвать глубиной мощностной панорамы. Вообще говоря, чем ниже Pmin и чем выше Pmax , тем, при прочих равных

условиях, выше эффективность АЦ: расширяется множество устройств, которые способен тестировать АЦ, возрастает глубина изучения нелинейных характеристик и т.д. Однако, расширение предельного мощностного диапазона усиливает требования к генератору зондирующих сигналов, блокам преобразования частот, системе отображения результатов измерения и может потребовать включения дополнительных каскадов усиления.

Динамический диапазон измерений

Это важный параметр эффективности АЦ. В п. 3. указано, что (статический) диапазон измерений модуля параметра рассеяния уже возможных значений этого модуля (для пассивных

тестируемых устройств диапазон возможных значений 0 ≤ Sij ≤ 1, i, j = 1,..., N ). Сейчас поставим более тонкий вопрос: насколько уже диапазон измерения, чем диапазон значений?

Чтобы почувствовать, насколько актуален этот вопрос, приведем пример. Пусть измеряется коэффициент пропускания S21 полосового фильтра в некоторой области ( fф1 , fф2 ) частот. Для

простоты предположим, что в области пропускания f1 ≤ f ≤ f2 коэффициент пропускания фильтра имеет максимальное значение 1 (0 дБ), а в области заграждения

( fф1 ≤ f < f1 ) ( f2 < f ≤ fф2 ) имеет минимальное значение (-G), дБ (например, G=100).

Возможны два режима измерения: «долгий» и «быстрый». В долгом режиме коэффициент пропускания S21 измеряется отдельно в области пропускания f1 ≤ f ≤ f2 и отдельно – в области заграждения ( fф1 ≤ f < f1 ) ( f2 < f ≤ fф2 ) , причем перед измерением в каждой области отдельно устанавливается выходная мощность Pвых генератора зондирующих сигналов: меньшая для области пропускания, большая – для области заграждения. Достигаемый в долгом режиме диапазон измерения назовем статическим. В быстром режиме коэффициент пропускания S21 измеряется одновременно, то есть в течение сканирования частоты (возможно – многократного) в диапазоне ( fф1 , fф2 ) . Достигаемый в этом режиме диапазон измерения следует назвать

динамическим. Ясно, что измерение можно назвать успешным, только если динамический диапазон измерения Gизм больше или равен перепаду (в децибелах) между минимальным (–G),

дБ и максимальным 0 дБ значениями измеряемого коэффициента пропускания фильтра.

Не вдаваясь в детали, можно считать, что динамический диапазон измерения параметров рассеяния ограничивается сверху допустимыми рабочими мощностями зондирующих сигналов, и снизу – допустимыми (пороговыми) отношениями сигнал-шум. В свою очередь, допустимые рабочие мощности ограничиваются нелинейными искажениями и ошибками вследствие них, а также предельными входными мощностями некоторых элементов, а уровень шума зависит от полосы в последетекторном (послесмесительном) тракте. Поскольку отношение сигнал-шум зависит от (некогерентного) усреднения по нескольким сканированиям частоты, а при наличии когерентного усреднения в тракте ПЧ – от степени этого усреднения, существуют, по крайней мере, два понятия динамического диапазона: динамический диапазон до усреднения и динамический диапазон после усреднения.

Простой вывод из приведенных рассуждений: ВАЦ, с его узкополосным супергетеродинным приемником, должен иметь значительно больший динамический диапазон, чем САЦ, с его

181

широкополосным детекторным приемником, поскольку уровень шума в последетекторном тракте прямо зависит от полосы на входе детектора.

Разрешение по измеряемой величине

Мера различимости измерителем различных значений измеряемой величины. Задачи разрешения, восходящие к оптике, обычно ставятся как пороговые: предполагается, что существует такое (пороговое) различие двух значений измеряемой величины, что при большем различии эти значения воспринимаются как разные, а при меньшем – как одинаковые; это пороговое различие и есть мера разрешающей способности. Для построения решающего правила разрешения необходим критерий разрешения, связывающий решение с разностью или отношением (в общем случае – с функцией) оценок значений. Не существует единственного критерия разрешения, но при любом разумном критерии разрешающая способность связана с точностью измерения, степенью сглаживания частотных и временных зависимостей и т.д. Задачи разрешения, восходящие к оптике, обычно ставятся как пороговые: предполагается, что существует такое (пороговое) различие двух значений измеряемой величины, что при большем различии эти значения воспринимаются как разные, а при меньшем – как одинаковые; это пороговое различие и есть мера разрешающей способности. Для построения решающего правила разрешения необходим критерий разрешения, связывающий решение с разностью или отношением (в общем случае – с функцией) оценок значений. Не существует единственного критерия разрешения, но при любом разумном критерии разрешающая способность связана с точностью измерения, степенью сглаживания частотных и временных зависимостей и т.д.

Разрешение по частоте, мощности, времени

Другой смысл и характер носят разрешающие способности по аргументам, в функции которых представляются оценки измеряемых величин; в нашем случае эти аргументы: частота и мощность зондирующего сигнала – при анализе в частотной области, время задержки – при анализе во временной области. Этот вид разрешения однозначно задается при установке шага по частоте, по мощности, по времени, соответственно, и разрешающая способность просто равна этому шагу. При сглаживании по частоте, мощности или времени разрешающая способность уменьшается.

Преобразовательная чувствительность

Так предлагается назвать параметр, который обычно называется просто чувствительностью, то есть способность реагировать на изменения входного сигнала; она оценивается отношением изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного сигнала. Например, чувствительность отклонения луча осциллографа измеряется в миллиметрах на вольт. Поскольку АЦ не сводится просто к преобразователю, сопряженному с измерителем, целесообразно характеризовать чувствительности отдельных блоков и устройств АЦ. Свои чувствительности имеют система управления частотой генератора зондирующих сигналов, детекторы, смесители, АЦП, монитор и т.д.

Пороговая чувствительность

Этот параметр носит другой смысл и характер. Пороговую чувствительность АЦ можно характеризовать введенным при обсуждении понятия «диапазон измерений» минимальным

рассеяния при заданной максимальной допустимой ошибке δмак доп Sij , i, j = 1,..., N . Заметим,

что, вообще говоря, пороговые значения модулей коэффициентов пропускания S 21 , S 12

отличаются от пороговых значений модулей коэффициентов отражения S11 , S22 . Пороговые

чувствительности АЦ по параметрам рассеяния тестируемых устройств зависят от уровня шума и установленных степеней сглаживания и усреднения.

Быстродействие (оперативность)

182

Это важный фактор эффективности АЦ; от его величины зависит сама применимость данной модели АЦ в ряде приложений, например, при настройке и тестировании радиотехнических устройств на поточной производственной линии. Обычно быстродействие характеризуется интервалом времени, необходимым для производства единичного измерения. В случае ВАЦ удобно в качестве величины, характеризующей быстродействие, принять время, необходимое для измерения параметра рассеяния в одной частотной точке при анализе в частотной области. Это время включает ряд независимых и взаимозависимых составляющих, таких как время переключения генератора зондирующих сигналов с одной частоты на другую; время сбора данных измерения; время, необходимое для расчетов и выполнения процессорных процедур и т.д.

Полезно различать быстродействие собственно измерений, быстродействие с учетом калибровки, быстродействие с учетом калибровки и подготовительных процедур.

Стабильность

Отражает постоянство во времени метрологических показателей средства измерений. Часто эта характеристика представляется обратной величиной – нестабильностью показателей во времени. Общая нестабильность АЦ складывается из нестабильности (в частности, частотной) генератора зондирующих сигналов, переключателей, разъемов и т.д.

Помехозащищенность и электромагнитная защищенность

Помехозащищенность – способность электронного средства измерений (в частности, АЦ) сохранять в процессе измерений свои характеристики при наличии внешних радиопомех. Электромагнитная совместимость средства определяется гарантией достаточно низкого уровня его влияния на окружающие электромагнитные устройства, обеспечивающей сохранение свойств последних. Требования к помехозащищенности и электромагнитной совместимости измерительного средства определяются нормативными документами, а выполнимость этих требований зависит от состава, расположения и характеристик окружающих устройств.

Надежность

Свойство средства измерений функционировать при сохранении метрологических и других показателей в заданных пределах и режимах работы. Обычно надежность характеризуется свойствами безотказности, ремонтопригодности, долговечности, сохраняемости.

Для средств измерений показатели безотказности характеризуются средней наработкой на отказ (среднее значение наработки средства измерений между отказами) и вероятностью безотказной работы за заданный промежуток времени.

В качестве показателя ремонтопригодности для средств измерений обычно нормируется

среднее время восстановления.

Долговечность средств измерений оценивается гамма-процентным ресурсом (наработка, в течение которой средство измерений не достигнет предельного состояния с вероятностью γ процентов) и сроком службы (календарной продолжительностью эксплуатации средства измерений до предельного состояния). Предельное состояние наступает тогда, когда обычные виды ремонта не позволяют поддерживать работоспособность прибора на требуемом уровне. В технических требованиях на средство измерений задаются обычно оба показателя долговечности, поскольку гамма-процентный ресурс определяется наработкой прибора (независимо от календарного времени эксплуатации), а срок службы – календарным временем эксплуатации (независимо от наработки). Обычно в технических требованиях под сроком службы понимается среднее его значение.

Средства измерений до поступления на эксплуатацию могут длительное время находиться на хранении. В связи с этим в технические требования часто включается в качестве показателя сохраняемости средний срок сохраняемости или гамма-процентный срок сохраняемости.

Эргономичность

183

Комплекс факторов, определяющих удобство работы оператора, в свою очередь влияющих на его производительность, вероятность ошибок и промахов и т.д.

Энергопотребление

Этот фактор эффективности особенно критичен при использовании АЦ на наземных, надводных, воздушных подвижных носителях: автомобилях, кораблях, самолетах и т.д.

Вес и габариты

Эти факторы не требуют комментариев.

Рабочие условия

Рабочие условия (условия измерений) содержатся в технических условиях на средство измерений и указывают на возможность проведения измерений с допустимыми изменениями метрологических характеристик. Рабочие условия измерений определяются назначением и степенью устойчивости метрологических характеристик данного средства измерений. Для унификации применяемых средств измерений рабочие условия измерений нормируются соответствующими государственными стандартами. Оценка условий измерений производится путем определения пределов изменения влияющих величин, то есть величин, оказывающих влияние на результаты измерений.

К влияющим величинам обычно относят:

-температуру, давление, влажность окружающей среды;

-частоту (диапазон частот), при которой производится измерение;

-механические нагрузки при транспортировании;

-напряжение и частоту питающей сети;

-напряженность магнитного (электрического) поля, в котором находится средство измерений;

-и т. д.

Наиболее часто в технических условиях на средство измерений указываются допустимые пределы рабочей температуры, относительная влажность (при той или иной температуре), напряжение и частота источников питания (с допустимыми отклонениями).

Поколения АЦ

Все более часто в последнее время радиотехнические средства измерений при характеристике их технических и конструктивных особенностей относят к тому или иному поколению. Это позволяет в какой-то степени оценивать прогресс эффективности средств измерения, улавливать и использовать тенденции развития и даже, в некоторой степени, прогнозировать развитие.

К первому поколению относят приборы с ручным управлением, применением электровакуумных приборов и объемного монтажа элементов (резисторов, конденсаторов и др.).

Ко второму поколению относят приборы с ручным управлением, полупроводниковыми приборами с применением как объемного, так и печатного монтажа элементов.

Третье поколение характерно применением микросхем и микросборок, одно- и двухслойных печатных плат, полуавтоматическим управлением (автоматическая установка нуля, самокалибровка).

К четвертому поколению относят средства измерений, имеющие автоматическое управление от встроенного микропроцессора и использующие микросхемы и микросборки большой степени интеграции, а также многослойные (двухслойные) печатные платы.

184

Можно уверенно констатировать, что современные АЦ вполне преодолели рубеж четвертого поколения и находятся на пути к пятому поколению. Обычно критерием отнесения средства измерений к соответствующему поколению являются наиболее характерные его черты. Вступая на зыбкую почву предположений, можно ожидать, что для пятого поколения характерной чертой будет полная готовность средств измерения к объединению в измерительные системы, с межкомпьютерной трансляцией данных и результатов, автоматическим формированием, выдачей и распечаткой отчетов с широким выбором номенклатуры и форматов, хранение установленных параметров, данных и результатов измерений в выбираемых номенклатурах и форматах и т. д.

Поскольку в основном радиотехнические приложения суть эксплуатация эффектов взаимодействия радиоизлучения с радиотехническими цепями и веществом, для АЦ наиболее гармоническим было бы сочетание в рамках измерительной системы указанного уровня с анализатором сигналов, способным анализировать характеристики и параметры сигналов в широком классе последних: детерминированных и случайных, узкополосных и широкополосных, в широком диапазоне частот и т.д.

Следует отметить еще одно обстоятельство. К настоящему времени средства измерений, применяемые в электронике и получившие общее наименование радиоизмерительных приборов (РИП), достигли достаточно высокого уровня развития и в своем большинстве имеют наивысшие точности по сравнению со средствами измерений других физических величин – электрических, механических, тепловых и т.д. Более того, развитие средств измерений физических величин неэлектрического характера (длины, массы, времени, температуры, силы света и др.) за последние годы все более приближается по принципиальному и конструктивному выполнению к РИП: неэлектрическая величина с помощью измерительных датчиков преобразуется в электрическую (иногда в достаточно широком диапазоне частот), и в дальнейшем процесс усиления, преобразования и регистрации (отображения) измерительной информации основывается на принципах и методах электронных средств измерений. Кстати, отсюда следует все возрастающая необходимость применения анализаторов цепей к измерению элементов высокочастотных трактов измерителей неэлектрических величин. Это направление развития в ближайшем будущем должно получить широкое распространение, поскольку позволяет автоматизировать процесс измерений, унифицировать и стандартизовать различные виды средств измерений, обеспечить метрологическую, конструктивную, информационную, энергетическую и эксплуатационную совместимость средств измерений между собой и с объектами измерений. В связи с этим происходит непрерывное повышение точности и расширение диапазона измерений РИП. Особенно быстро возрастали требования к точности частотно-временных измерений. Наряду с требованиями к точности приборов все больше предъявляются требования к их быстродействию, производительности. В связи с этим широкое распространение получили цифровые приборы, позволяющие наряду с высокими показателями точности обеспечить быстродействие, высокую производительность измерений, программное управление приборами, сопряжение с универсальными ЭВМ.

Появление новых принципов и методов измерений, расширение диапазонов измерений привело к расширению номенклатуры применяемых измерительных приборов, которая сейчас классифицируется на более чем 100 подгрупп и видов. Основными видами являются измерители напряжений и токов, параметров электрических цепей и трактов, частоты, формы сигналов, их спектров, а также измерительные генераторы. Получили развитие приборы для измерения характеристик случайных процессов, логические анализаторы (для определения правильности структуры цифровых меток, потока цифровых данных в контрольных точках электронных цифровых устройств, в том числе и цифровых измерительных приборов) и др.

Очень быстрыми темпами развивается направление анализаторов сигналов в реальном масштабе времени. Эти приборы все большее распространение находят не только как анализаторы спектра сигналов, но и как измерители амплитудных и фазочастотных характеристик радиоэлектронных устройств, функций корреляции, когерентности, плотностей вероятности случайных процессов, полей и последовательностей потоков информации. В то же

185

время качественные показатели анализаторов цепей в частотной и временной областях не в последнюю очередь зависят от развития техники анализа высокодинамичных сигналов в реальном времени).

Большое значение имеет тенденция к виртуализации приборов. К виртуальным принято относить приборы многофункциональные, позволяющие по выбору оператора осуществлять функции то одного, то другого прибора. С таким прибором можно проводить измерения по определенной программе, задаваемой оператором или извне контроллером. Все задачи по восприятию программы измерений, перестраиванию субмодулей и отдельных схем прибора в необходимое сочетание для выполнения различных функций, организации измерений выполняет встроенный микропроцессорный блок.

Важна и достаточная надежность приборов четвертого поколения, достигаемая высокой степенью интеграции применяемых БИС и СБИС, почти полным исключением из конструкции приборов малонадежных механических узлов (переключателей, электромеханических реле, перестраиваемых элементов и т. д.).

Таким образом, мы приходим к важному выводу, определяющему направление развития электронных измерительных приборов, в частности, анализаторов цепей СВЧ: Нужно стремиться создавать радиоизмерительные приборы, совместимые между собой и приспособленные к объединению (агрегатированию) в автоматизированные измерительные комплексы для решения большого числа измерительных задач. Подобные автоматизированные измерительные комплексы (АИК), создаваемые (иногда – просто собираемые) на основе объединения стандартных, серийных средств измерений, должны управляться через стандартную информационную магистраль внешним компьютером, который регулирует сбор, обработку измерительной информации, передачу и хранение полученных данных и результатов.

Аппаратный анализ цепей во временной области

Рефлектометрия во временной области (РВО)

РВО – технология, позволяющая измерять импедансы в функции расстояния. Важные применения этого вида измерения – конструирование оснастки (обнаружение позиции отражения в оснастке и коэффициент отражения) и калибровочных эталонов в оснастке (определяется их качество). В частности, можно различать емкостные и индуктивные переходы, индицировать ЛП с импедансом, отличным от R0. В пределах пространственного разрешения мы можем видеть отражения от разъемных запусков, независимо от отражений от калибровочных стандартов.

Используя стробирование во временной области, можно развязать различные части оснастки и видеть эффекты на этих частях в частотной области. Например, можно отдельно посмотреть на частотную зависимость коэффициента отражения от разъемного запуска без остальной части эталона.

Другое применение РВО – определение положений дефектов на коаксиальном кабеле (например, в сотовых и кабельно– телевизионных применениях): прецизионное определение положения кабельного дефекта, например, завитка, плохого соединения, к.з., х.х., т.е. чего-то такого, что приводит к отражению части сигнала.

Два вида анализа во временной области: физический, математический.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОДРОБНОСТИ АНАЛИЗА ЦЕПЕЙ (по Балло) Параметры отражения (илл. из Балло, с. 6, с. 8)

186

Параметры передачи (илл. Балло, с. 8)

Линейное или нелинейное поведение цепи (илл. Балло, с. 9)

187

Линейные искажения (илл. Балло, с. 9)

Вариации амплитуды с частотой (илл. Балло, с. 10)

Вариации фазы с частотой (илл. Балло, с. 10)

188

Отклонение от линейной фазы (илл. Балло, с. 11)

Групповая задержка (илл. Балло, с. 11)

Зачем измерять групповую задержку? (илл. Балло, с. 12)

189

Почему измеряется как отклонение от линейной фазы, так и групповая задержка? В зависимости от прибора оба могут быть важны. Установление размаха фазовых пульсаций не является достаточным для полной характеризации прибора, поскольку наклон фазовых пульсаций зависит от числа пульсаций на единицу частоты. Групповая задержка учитывает это, поскольку она дифференциальна к фазовому отклику. Групповая задержка часто более легко интерпретируемая характеристика фазовых искажений.

Картинки вверху показывают, что при том же размахе фазовых пульсаций можно получить существенно различные отклики групповых задержек. Отклик справа с большей вариацией групповой задержки означает большее искажение сигнала.

Измерение S-параметров (илл. Балло, с. 14)

Нелинейные искажения (насыщение, перекрестные искажения, интермодуляция, гистерезис, амплитудно-фазовая конверсия) (илл. Балло, с. 15)

190