К вопросу о внутренней установке нуля и калибровке в датчиках ВЧ мощности

Назначение измерителя ВЧ мощности (в сочетании с датчиком ВЧ мощности) — это придание высокой точности контрольно-измерительным системам, а также проведение точных измерений абсолютной мощности. Условия измерения могут изменяться. Измерения выполняются в условиях исследовательских лабораторий или производства, а их объектами являются радиолокационные системы, мобильные телефоны или базовые станции. Однако во всех случаях главным средством измерения абсолютной мощности останутся поверяемые измеритель и датчик мощности

Введение

Основное, часто повторяемое действие оператора, которое он должен выполнять для сохранения точности при последовательных измерениях, — это установка нуля и калибровка (Zero & Calibration procedure). Статья посвящена роли этого процесса и обсуждению того, как он соотносится с современными методами измерения мощности. В частности, предлагается передовой метод «внутренней установки нуля и калибровки» компании Agilent, исключающий многократные подсоединения к внешнему калибровочному источнику.

Виды датчиков и требования к установке нуля и калибровке

Промышленно выпускаемые датчики основаны на трех видах ВЧ детекторов — термисторах, термопарах и диодах. Датчик каждого вида состоит, как правило, из интерфейса ВЧ соединителя, обычно содержащего встроенный аттенюатор и разделительный конденсатор для устранения постоянной составляющей, и ВЧ детектора, за которым следует схема усиления/обработки сигнала. На рис. 1 показана структурная схема диодного датчика мощности.

Что касается термисторного детектора, то его работа основана на поглощении падающей мощности и превращении ее в тепло, которое, нагревая детектор, изменяет его сопротивление. При использовании мостовой схемы и компенсации на постоянном токе этот детектор выполняет измерение ВЧ мощности с замкнутой петлей обратной связи. Так, при измерении компенсирующей мощности, которая должна быть приложена для сохранения баланса эффекта нагрева, определяется величина мощности, рассеиваемой на 50-омной нагрузке.

Рис. 1. Структурная схема диодного датчика мощности

Для повышения точности такого измерения используется калибровочный коэффициент. Он учитывает потери из-за рассогласования, поскольку реальный термистор не обеспечивает идеально точную 50-омную нагрузку, а также коэффициент преобразования, связанную с тем, что ВЧ мощность не обязательно рассеивается собственно в термисторе, и поэтому не вся участвует в измерении. Этот калибровочный коэффициент изменяется в диапазоне рабочих частот датчика и определяется либо в процессе его калибровки при производстве, либо при периодической калибровке¹. Как правило, он не зависит от уровня мощности и температуры.

Итак, при проведении измерения с термисторным датчиком мощности, благодаря использованию метода компенсации на постоянном токе, дополнительная калибровка пользователем не требуется. Тем не менее для исключения различных эффектов смещения измерительного оборудования требуется операция установки нуля.
Детекторы на основе термопары и диодов не позволяют измерять ВЧ мощность до предварительной калибровки прибора. Эти детекторы часто относят к «системам без обратной связи», поскольку они требуют калибровки перед использованием. Каждый из них выдает на выходе напряжение, пропорциональное входной ВЧ мощности, однако для придания ему смысла необходимо знать масштабный коэффициент. Он обычно определяется, когда пользователь подключает датчик к известному ВЧ источнику, как правило, к калибратору 50 МГц, 0 дБм (называемому также опорным генератором), замыкая, таким образом, обратную связь системы. Для обозначения этого процесса ниже будет употребляться термин «калибровка пользователя».

Рассмотрим сигнал 2 мВ на выходе термопарного или диодного детектора. Он является реакцией на неизвестную приложенную падающую мощность на частоте 50 МГц. Выходное напряжение можно определить только после того, как датчик прокалиброван по сигналу 50 МГц, 0 дБм, реакция на который составляет, скажем, 1 мВ. Тогда, вычислив масштабный коэффициент как 1 Вт/В и наложив его на выходное напряжение 2 мВ, получим результат измерения 2 мВт. Калибровочные коэффициенты, введенные выше для термисторного детектора, также накладываются на результат измерения для распространения этого масштабного коэффициента на другие частоты. Однако теперь они основаны на калибровке с замкнутой обратной связью, выполненной до их применения.

В дополнение к этому детекторы, как на основе термопары, так и на основе диодов, требуют установки нуля до измерения мощности. Функция установки нуля устраняет паразитные смещения нуля в приборе, когда приложенная мощность равна нулю.

Обычно операции калибровки и установки нуля выполняются пользователем в рамках одной процедуры и часто обозначаются термином Zero & Cal.

До того как калибровка станет достоверной, должна быть выполнена установка нуля. При этом когда на детектор не подается мощность, измеритель мощности определяет выход датчика. В продолжение предыдущего примера предположим, что измерение нуля дает 0,2 мВ. Тогда калибровочное значение (ранее 1 мВ) должно быть скорректировано с учетом установки нуля: 1 мВ – 0,2 мВ = 0,8 мВ. Использование этого значения дает масштабный коэффициент 0,8 Вт/В.

При использовании большинства датчиков мощности пользователь выполняет процедуру калибровки и установки нуля непосредственно перед измерением мощности. Это — следствие уникальности ВЧ измерительного оборудования: измеритель и датчик мощности разделены, и измерительная плоскость располагается на удалении от измерителя — там, где расположен датчик. Основными предпосылками для разделения системы на измеритель и датчик являются:

• Расположение опорной плоскости измерения как можно ближе к испытуемому устройству (ИУ) для минимизации эффекта потери точности из-за потерь в кабеле и дополнительной погрешности рассогласования.

• Облегчение взаимозаменяемости ВЧ датчиков для обеспечения гибкости в перекрытии мощности и частот.

Следовательно, датчик, кабель и измеритель часто используются либо совместно, либо находятся в разобранном виде и соединяются при сборке испытательной станции. Поэтому для достижения наивысшей точности калибровка системы пользователем и установка нуля выполняются перед измерением.

Рис. 2. Четырехмерные коэффициенты датчиков мощности серии P (характеристики продетектированного напряжения в зависимости от мощности, температуры и частоты)

Развитие методов установки нуля и калибровки

В современных ВЧ датчиках мощности² детектор является нелинейным в части рабочего диапазона (т. е. выходное продетектированное напряжение не всегда линейно пропорционально входной мощности). Следовательно, должны использоваться дополнительные уровни коррекции кроме частотных калибровочных коэффициентов, поскольку калибровочные коэффициенты уже не постоянны в диапазонах мощности и температуры.

Например, в диодных детекторах с расширенным динамическим диапазоном проводится коррекция линейности, обычно основанная на калибровке на 50 МГц, которая затем используется на всех других частотах. Наиболее удобным способом объединения коэффициентов калибровки и коррекции линейности является выполнение всех коррекций относительно частоты и мощности ВЧ источника, используемого при калибровке пользователем.

Дальнейшая коррекция линейности может также применяться на разных частотах — такая коррекция обозначается термином «частотно зависимая коррекция линейности» (Frequency Dependent Linearity Correction или FDLC³). Кроме того, учет температурных изменений линейности выполняется путем использования различных коррекций линейности для разных температур. Подобное наложение линейности, коэффициента калибровки и FDLC практически означает, что для каждой температуры, частоты и мощности должен использоваться свой корректирующий коэффициент, связывающий напряжение на выходе датчика с входной ВЧ мощностью. При практической реализации эти коррекции делаются относительно опорного источника, используемого пользователем для калибровки, и основываются на характеристиках, полученных при производстве датчика или в процессе периодической калибровки.

Калибровку пользователя можно сравнить с опорой для получения координат с помощью глобальной системы позиционирования (GPS) и использованию этой опоры для привязки ее к карте. Знание точки на карте, соответствующей текущему положению на местности, не гарантирует знания местоположения после перемещения в другую точку. Единственным способом сделать это является достоверность подробностей карты, позволяющих ответить на вопросы, на какой высоте мы находимся и где наше местоположение при перемещении. GPS действует как калибровка пользователя, а «подробной картой» являются характеристики датчика: знание местоположения (измерение) зависит от привязки к начальной опоре и от того, насколько точна и современна карта.

Традиционные датчики, работающие в квадратичной области, соответствуют плоскому ландшафту ограниченной области, а современные датчики пиковой и средней мощности с расширенным динамическим диапазоном можно уподобить холмам и долинам в более широкой области. Поэтому современные датчики предъявляют более строгие требования к точности карты (корректирующим коэффициентам и характеристикам), чем простое считывание исходных координат GPS (калибровка пользователя). На рис. 2 показано поведение коэффициента передачи датчика или «карта» для датчика мощности серии P компании Agilent. Периодическая калибровка является в этом смысле проверкой и обновлением карты.

В процессе развития датчиков мощности произошли изменения - с тех пор, когда калибровка пользователя выполнялась с целью повышения точности и привязки к абсолютному уровню измерений мощности. В настоящее время для повышения точности все чаще используются характеристики, полученные при производстве и при периодической калибровке датчиков.

Общим заблуждением является мнение, что калибровка пользователя может обнаружить изменения в коэффициенте передачи датчика и провести настройку. Однако вследствие того, что система, состоящая из датчика и измерителя, тоже может измениться, об перемене поведения ВЧ детекторов никаких выводов сделать нельзя. Замкнутая система содержит также интерфейс соединителя, схему усилителя, кабель и измеритель мощности. Поэтому основной функцией калибровки пользователя является объединение датчика, кабеля и измерителя, а не обнаружение изменения в поведении детекторов.

Учитывая вышесказанное, в последней модели N1921/2A широкополосного датчика мощности серии Р компании Agilent заложен новый подход к калибровке пользователя. Датчик больше не требует отсоединения от испытуемого устройства и подключения к опорному источнику 50 МГц, 0 дБм: за счет введения известного опорного сигнала постоянного тока после детектирования калибровку пользователя производить стало удобнее. Следующим шагом явилось введение транзисторного переключателя после детектора, позволяющего производить установку нуля еще в процессе подачи ВЧ сигнала на датчик (рис. 3). Этот патентованный метод называется Internal Zero & Cal (внутренняя установка нуля и калибровка).

Эта функция устраняет необходимость подключения и отключения калибровочного источника, уменьшая, таким образом, время измерения, измерительную погрешность и изнашивание соединителей. Это особенно актуально при производстве и автоматизированных испытаниях.

Прецизионный опорный источник напряжения исходно имеет нестабильность ±3x10^–6, а после аттенюации и буферизации нестабильность составляет ±500x10^–6 (±0,05%). Она выгодно отличается от аналогичного параметра калибратора 0 дБм, 50 МГц, имеющегося в большинстве измерителей мощности. В новом измерителе мощности N1911/2A гарантируется точность ±0,4% (25±10 °C) и ±1,2% (0–55 °C). Следовательно, вместе с устранением погрешности, связанной с погрешностью рассогласования между датчиком и опорой мощности, мы наблюдаем повышение точности калибровочного процесса при внутренней калибровке.

Датчики мощности N1921/2A не требуют для калибровки в измерителе мощности N1911/2A внешнего калибратора (он встроен в этот измеритель мощности для калибровки существующих датчиков компании Agilent), подключение к нему является средством проверки исправности детектора и соединителя. Однако эта проверка не может гарантировать полный рабочий диапазон системы и ее точность.

Рис. 3. Функциональная схема внутренней установки нуля и калибровки широкополосного датчика мощности N1921A/2A серии P

Какие ошибки может «отловить» калибровка?

Это удобное всего показать на нескольких примерах:

• Если на датчик мощности будет подана входная мощность, которая превышает допустимый уровень, то это может привести к следующим результатам:

– Аттенюатор, установленный в датчике перед детектором, может быть поврежден, и мощность не будет поступать к детектору. При калибровке пользователя или измерении известного источника (как правило, калибратора) для датчика мощности N1921/2A серии Р эта неисправность будет обнаружена.

– Собственно детектор может быть поврежден либо до полного выхода его из строя, либо до состояния ускоренного старения. И если первое определяется при подключении детектора к известному источнику, то эффект старения не столь явно выражен и труден для непосредственного обнаружения как при калибровке пользователя, так и при использовании достоверного источника.

– Для термопарного датчика, если превышена предельная мощность, может измениться масштабный коэффициент, и, хотя его можно скорректировать повторной калибровкой пользователя, вероятнее всего, это сократит срок службы датчика.

• Датчик и измеритель мощности используются в различных ситуациях и применениях. Некоторые из них, например, калибровка систем и проведение испытаний при их инсталляции, требуют нескольких подсоединений и отсоединений. Результатом многократных пересоединений может стать изнашивание или обрыв соединителя. Снижение точности за счет изнашивания соединителей проявляет себя в следующих двух формах:

– Ухудшается КСВН (коэффициент стоячей волны напряжения) датчика, что приводит к увеличению погрешности рассогласования.

– Изменяется распространение ВЧ сигнала в схеме детектора, что потенциально нарушает правильность корректирующих коэффициентов. Поэтому, несмотря на то, что измерения останутся точными на 50 МГц с калибратором, эффект на других частотах может оказаться весьма значительным.

• При работе с анализаторами цепей мы используем калибровочные наборы для переноса опорной плоскости непосредственно к измеряемым устройствам. При этом необходимо соблюдать осторожность и не допускать перетяжку соединения, следует также убедиться в том, что соединитель испытуемого устройства не повредит соединитель прибора. Точно такие же предосторожности необходимо соблюдать при использовании датчика мощности с целью сохранения точности измерения мощности в испытуемом устройстве.

Заключение

Функция внутренней установки нуля и калибровки для датчика и измерителя мощности компании Agilent устраняет многократные подключения к внешнему калибровочному источнику. Достоинствами этого метода являются: уменьшение погрешности измерения, уменьшение изнашивания соединителей и ускорение измерений.
Все методы измерения ВЧ мощности опираются на различные формы коррекции для достижения оптимальной точности измерения мощности. Калибровка датчика пользователем — с использованием внутреннего или внешнего источника — не гарантирует ни достоверности последующей коррекции, ни суммарной точности измерений. Точность достигается при использовании калибровки в сочетании с достоверными характеристиками (полученными при определении корректирующих коэффициентов) и с соблюдением предосторожностей при использовании и хранении датчиков и их ВЧ соединителей.

¹ Термины, выделенные курсивом, являются стандартными специальными терминами по измерению мощности. Их полные определения приведены в Рекомендациях по применению 1449-3 «Основы измерения ВЧ и СВЧ мощности (часть 3), погрешность измерения мощности согласно международным нормативным документам», компания Agilent Technologies.

² Считается, что современные ВЧ датчики обязательно имеют внутреннюю память (ЭСППЗУ) для хранения данных коэффициентов калибровки и коррекции, обычно в расширенном рабочем диапазоне.

³ См. статью «Измерение уровней мощности в современных системах связи» на сайте https://www.home.agilent.com/upload/cmc_upload/All/EPSG090442.pdf.

Автор: Алан Б. АНДЕРСОН (Agilent Technologies)