 | Дансмор Д.П. Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей: пер. с англ. - М.: Техносфера, 2018. - 735 с. - (Мир радиоэлектроники; XVII-32).
ШИФР ОТДЕЛЕНИЯ ГПНТБ СО РАН З 84-Д189
| |
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 БАЦ ..................... 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 Т-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 Н-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-пропускаюший (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 Т01 ................. 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 Х-параметры, измерения с изменяемой величиной импеданса
нагрузки и активные нагрузки ............................. 498
6.8.1 Нелинейные характеристики и Х-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 А. Физические константы ............................ 724
Приложение В. Наиболее распространенные типы ВЧ- и
СВЧ-соединителей ......................................... 725
Приложение С. Наиболее распространенные типы волноводов ....... 727
Приложение D. Параметры полиномиальных моделей мер XX и КЗ
из состава некоторых серийных калибровочных комплектов ... 728
Предметный указатель .......................................... 731
|
| За последние четверть века в радиоэлектронной промышленности произошли революционные изменения, и немаловажную роль в этих переменах сыграла техника сверхвысоких частот. Развитие стандартов беспроводной связи требует задействовать все более высокие частоты, для сетей 5G, например, это уже десятки ГГц. Успех разработки устройств СВЧ-диапазона непосредственно связан с качеством и широтой возможностей по анализу их параметров. Автор книги - инженер-разработчик с 30-летним стажем - работал над широчайшим кругом измерительных задач в СВЧ-диапазоне - от компонентов сотового телефона до спутниковых мультиплексоров.
Написанная им книга - это совокупность основ и передового опыта, теории и практики, в центре внимания которой - измерения активных и пассивных устройств с использованием новейших методик векторного анализа цепей, в том числе конфигурации современных векторных анализаторов цепей, методики их калибровки, подходы к анализу полученных результатов измерений, неопределенностей и составляющих систематической погрешности. Значительная часть книги посвящена описанию наглядных практических примеров измерений параметров таких устройств, как кабели и соединители, линии передачи, фильтры, направленные ответвители, усилители и смесители, балансные устройства и пр.
Книга станет прекрасным практическим руководством для инженеров-метрологов и разработчиков ВЧ-/СВЧ-устройств, занимающихся моделированием и тестированием как отдельных узлов радиоэлектронной аппаратуры, так и законченных изделий, к примеру, систем спутниковой связи, радиолокации и радионавигации. Крайне полезной данная книга будет и в процессе обучения студентов радиотехнических специальностей.
|
|
