Тестирование радиочастотных усилителей и фильтров с помощью датчиков мощности Mini-Circuits
Для измерения параметров распространенных ВЧ-компонентов, таких как фильтры и усилители, использование ВЧ-датчиков мощности является точным и экономически выгодным методом получения необходимой информации. В случае с ВЧ-фильтрами важно оценить вносимые потери, возвратные потери и характеристики частотной избирательности, такие как полоса пропускания и полоса подавления. Для усилителей к этим параметрам добавляются показатели коэффициента усиления и точки сжатия на 1 дБ (P1dB).
Хотя данные параметры нередко оцениваются с применением высокоточных измерительных приборов, таких как векторные генераторы сигналов и сетевые анализаторы, их также можно надежно охарактеризовать с помощью скалярных измерений — измерений величины, но без фазы. Среди популярных скалярных приборов — анализаторы спектра, измерители мощности и цифровые вольтметры. В данной статье мы представим установки для тестирования основных характеристик фильтров и усилителей, используя следующие портативные приборы Mini-Circuits:
- Генератор сигналов SSG-15G-RC на 15 ГГц с интерфейсами USB и Ethernet для управления.
- Датчик среднеквадратичной мощности PWR-18RMS-RC на 18 ГГц с управлением через USB и Ethernet.
Эти устройства позволяют выполнять точные скалярные измерения. Поскольку измерения вектора (фазы) недоступны, как и в других подобных тестах, важно минимизировать потенциальные ошибки, например, от электромагнитных помех, качества компонентов, затяжки разъемов и температурного дрейфа. Применение передовых методов обеспечит получение высококачественных и точных данных.
Невыровненный коэффициент усиления и вносимые потери
Начнем с простой схемы, которая использует один источник ВЧ-сигнала и один ВЧ-датчик. Для этого полосовой фильтр Mini-Circuits ZX75BP-942-S+ (рабочий диапазон 875–1010 МГц) подключается между генератором сигнала и датчиком мощности, как показано на рисунке 1. Такая конфигурация не позволяет получить точное абсолютное значение амплитуды, так как генератор сигнала может обладать неизвестными погрешностями. Тем не менее, данный метод эффективен как предварительное измерение.
Рисунок 1. Схема измерения невыровненного коэффициента усиления и вносимых потерь с использованием генератора SSG-15G-RC и датчика мощности PWR-18RMS-RC.
При допущении, что генератор сигнала работает с достаточной точностью, можно получить корректную оценку потерь в полосе фильтра. Однако для абсолютных значений измерений такая точность недостижима. Например, значение частоты, на которой происходит ослабление на 3 дБ, можно измерить довольно точно (см. рисунок 2).
При такой схеме можно либо использовать режим частотной развертки генератора, либо задать нужную частоту вручную. Измеренное значение мощности РЧ датчиком считывается напрямую. При изменении частоты генератора частота датчика мощности также синхронизируется с ней. Благодаря широкополосности датчика, его калибровочные коэффициенты автоматически применяются на установленной частоте.
Если вместо фильтра подключить усилитель, схожим образом можно измерить невыравненный коэффициент усиления. В этом случае отношение выходной мощности усилителя к входной даст точное значение коэффициента усиления. Для определения точки сжатия на 1 дБ при заданной частоте мощность сигнала на входе постепенно увеличивают, пока коэффициент усиления не начнет уменьшаться.
Управление генератором и датчиком осуществляется через графический интерфейс, что значительно упрощает настройку тестов. Однако одним из ключевых преимуществ этих приборов является возможность автоматизации процесса. С помощью любого современного языка программирования можно написать скрипт, например, на Python или LabVIEW VI, чтобы координировать работу генератора и датчика мощности. Такой скрипт может поочередно выставлять необходимые значения мощности и частоты, считывать данные, регистрировать их, а затем проводить дальнейший анализ.
Измерение коэффициента усиления, вносимых и возвратных потерь
Для более комплексного анализа ВЧ-компонентов, таких как усилители и фильтры, можно использовать один из широкополосных направленных ответвителей Mini-Circuits и дополнительный датчик мощности. Такая конфигурация позволяет расширить возможности скалярного сетевого анализатора для измерения не только вносимых потерь, но и возвратных потерь. На схеме на рисунке 2 датчики обозначены как A (отражённый) и B (переданный), что позволяет одновременно измерять проходящую мощность и отражённую от входа компонента. Эти измерения обеспечивают данные для определения коэффициента усиления / вносимых потерь и возвратных потерь по сравнению с мощностью на выходе генератора сигнала.
Точная мощность генератора сигнала часто неизвестна, поэтому добавление широкополосного разветвителя и дополнительного датчика мощности R (инцидентный) на выходе генератора, как показано на рисунке 2, позволяет измерить скорректированные значения коэффициента усиления (B/R) и возвратных потерь (A/R). Возвратные потери можно также выразить через КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению). Используя конфигурацию с тремя датчиками, управляемыми через USB, показанную на рисунке 2, можно одновременно отслеживать и коэффициент усиления, и возвратные потери.
Рисунок 2. Схема измерения коэффициента усиления, вносимых и возвратных потерь с использованием генератора SSG-15G-RC, датчика мощности PWR-18RMS-RC, широкополосного разветвителя и направленного ответвителя.
Применение четырёх независимых приборов (трёх датчиков мощности и одного генератора сигнала), управляемых через USB или Ethernet, делает автоматизацию такой установки крайне целесообразной. Всего несколько строк кода позволяют интегрировать приборы в общую систему управления, что обеспечивает параллельные измерения со всех датчиков. Команда разработчиков Mini-Circuits также предоставляет поддержку и примеры кода, что ускоряет внедрение такой автоматизации.
Возможности скалярного анализа
На основе конфигурации, изображённой на рисунке 2, можно создать множество специализированных тестовых приложений, таких как:
- Измерения для фильтров и частотно-избирательных компонентов:
- Плоскостность полосы пропускания
- Вносимые потери
- Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН)
- Возвратные потери
- Измерения для усилителей:
- Коэффициент усиления
- Плоскостность усиления
- Точка сжатия
- КСВН
- Возвратные потери
- Обратная изоляция
- Абсолютная мощность
- Высокая мощность
- Измерения для смесителей и частотных преобразователей:
- Возвратные потери
- КСВН
- Потери преобразования
- Измерения величины
- Сжатие
- Антенные измерения (в зоне дальней связи):
- Дистанционная мощность
- Передаваемая и отражённая мощность
Резюме
Mini-Circuits предлагает линейку датчиков мощности, генераторов сигналов и вспомогательных ВЧ-компонентов, обеспечивающих доступное и универсальное решение для точных и воспроизводимых измерений характеристик ВЧ-фильтров, усилителей и других радиочастотных компонентов. Эти портативные устройства можно адаптировать для различных нужд и бюджета пользователя. Для повышения точности и надёжности измерений важно применять передовые методы работы с оборудованием, что особенно актуально при использовании скалярных приборов, которые не дают информацию о фазе сигнала. В общем, тестовые приборы Mini-Circuits и их дополнительные компоненты обеспечивают надёжный способ анализа ВЧ-параметров в различных условиях применения — от разработки и тестирования прототипов до крупносерийного производства.