Анализ погрешностей измерения уровня сигнала генератора СВЧ с помощью измерительного приемника

Данная статья посвящена рассмотрению погрешностей, возникающих при измерении уровня мощности генераторов сигналов с помощью измерительного приемника R&S^®FSMR3000. Даны рекомендации по минимизации основных погрешностей.

Для измерения уровня сигнала генераторов сигналов СВЧ в качестве калибратора уровня часто используются измерительные приемники, обладающие высокой линейностью в широком диапазоне. Одним из таких приемников является измерительный приемник R&S^®FSMR3000 (далее – FSMR3000) [1]. Данный прибор представляет собой универсальную систему калиб­ровки генераторов сигналов и аттенюаторов. Измерительный при­емник FSMR3000 сочетает в себе калибратор уровня, анализатор модуляции и аудиосигналов, измеритель мощности и анализатор спектра и фазового шума. Благодаря высокой линейности и широкому диапазону частот (от 100 кГц до 8/26,5/50 ГГц в зависимости от модели прибора) он идеально подходит для решения измерительных задач в калибровочных и испытательных лабораториях.

Аналоговые модули, чувствительные к возникновению компрессии, такие как смесители и усилители тракта ПЧ, работают со значительным запасом линейности, чтобы исключить эффекты компрессии. Конструкция смесителей и усилителей, используемых в аналоговом тракте прибора, сочетает в себе высокую линейность с низким уровнем собственного шума. В результате, несмотря на широкий динамический диапазон прибора (от -152 дБмВт до +30 дБмВт на частоте 1 ГГц) [2], FSMR3000 обеспечивает хорошее отношение сигнал/шум (SNR) без компрессии, используя только три диапазона измерений. Модули и компоненты, под­верженные дрейфу (ЖИГ-фильтр) или обладающие нелинейной харак­теристикой уровня (кварцевый фильтр), в режиме измерения уровня отключаются и не вносят искажений.

Источники погрешности измерения уровня сигнала генератора с помощью приемника FSMR3000

Несмотря на отличительные рабочие характеристики прибора FSMR3000, результат измерения уровня ВЧ-сигнала генератора зависит от множества различных влияющих факторов, являющихся источниками погрешностей. Чтобы оценить погрешность измерения, необходимо количественно определить все источники погрешностей и соответствующим образом учесть их совместное влияние для получения результирующей погрешности.

Наибольшую точность измерения абсолютной мощности выходного сигнала генератора можно полу­чить при использовании датчика поглощаемой мощности, принцип действия которого основан на термоэлектрическом эффекте. Такие датчики принято называть термодатчиками. Примером термодатчиков является серия датчиков R&S^®NRPxxT (далее – NRPxxT), где xx обозначается верхняя граничная частота рабочего диапазона частот термодатчика. Решающими факторами здесь выступают технические характеристики датчика мощности [3] и рассогласование (КСВН) между источником (испытуемым генератором) и датчиком. Термодатчики имеют очень малые КСВН по сравнению с измеритель­ными приемниками, что позволяет достичь минимальных погрешностей измерения [4].

По сравнению с другими датчиками мощности термодатчики обладают высокой точностью измерения, но имеют ограниченную чувствительность. Для датчика NRPxxT она составляет -35 дБмВт.  Таким образом, с помощью датчика мощности NRPxxT, подключенного к испытуемому генератору, и измерительного приемника FSMR3000, можно выполнить измерение уровня сигнала генератора выше -35 дБмВт. Измерение уровня во всем диапазоне возможно с помощью измерительной функции приемника. В данном случае перед измерением проводится калибровка прибора. Процедура калибровки включает в себя два этапа: измерение уровня сигнала генератора с помощью датчика мощности и калибровка прибора с подключенным к ВЧ-входу приемника генератором сигналов.

При этом требуется механическое переподключение измерительных приборов (см. рисунок 1). После выполнения процедуры калибровки возможно измерение уровня сигнала генератора в пределах динамического диапазона приемника FSMR3000 [5].

Благодаря высокой линейности приемника FSMR3000 данный подход позволяет измерять уровень сигнала генератора в широком диапазоне с высокой абсолютной точностью.

При измерении уровня ВЧ-сигнала генератора с помощью измерительного приемника FSMR3000 и датчика мощности необходимо учитывать следующие источники погрешности:

• погрешность измерения абсолютной мощности датчиком мощности;

• погрешность нелинейности измерительного приемника;

• погрешность от диапазона к диапазону приемника;

• погрешность из-за рассогласования выхода генератора, кабельного соединения и ВЧ-входа измерительного приемника;

• случайная погрешность измерения.

Погрешность измерения абсолютной мощности датчиком мощности складывается из следующих составляющих:

• погрешность калибровки;

• погрешность нелинейности;

• погрешность, вызванная отклонением температуры окружающего воздуха от нормальных условий применения;

• погрешности установки и дрейфа нуля;

• шума отображения;

• погрешность из-за рассогласования между испытуемым генератором и датчиком мощности.

При измерении абсолютной мощности датчиком мощности погрешности шума отображения, установки и дрейфа нуля незначительны при измерении высоких уровней мощности, в то время как погрешность рассогласования во многих случа­ях оказывается весьма существенной.

Для расчета этой погрешности используется следующая формула:

где Δ арассоглас - стандартная погрешность рассогласования,S_Gen – КСВН генератора, S_Sens – КСВН датчика мощности.

Коэффициент отражения датчиков мощности, как правило, гораздо ниже, чем у генератора сигналов. Однако, в расчете погрешности из-за рассогласования участвует произведение коэффициентов отраже­ния генератора сигналов и датчика мощности. В связи с этим погрешность из-за рассогласования между генератором и датчиком мощности может вносить значительный вклад в общую погрешность измерения.

При измерениях уровня сигнала генераторов СВЧ во всем диапазоне значений, ко­торый у лучших приборов составляет от -130 дБмВт до +30 дБмВт, в измерительном приемнике требуется переключение встроенного ВЧ-аттенюатора. Возможная погрешность измерения уровня, возни­кающая в результате такого переключения, (погрешность от диапазона к диапазону приемника) устраняется за счет калиб­ровки соседнего диапазона. При постоянном уровне сигнала результат измерения после переключения диапазонов корректируется под резуль­тат измерения до переключения. Графическая иллюстрация представления диапазонов уровней мощности приемника FSMR3000 показана на рисунке 2.

Погрешность нелинейности и погрешность от диапазона к диапазону измерительного приемника незначительны по сравнению с другими погрешностями измерения.

Погрешность измерения из-за низкого отношения сигнал/шум (SNR) (случайная погрешность измерения) имеет ключевое значение при низких уровнях сигнала. В FSMR3000 используется следующая формула для расчета стандартной погрешности на основе изме­ренного отношения сигнал/шум SNR и количества усреднений n:

Отношение сигнал/шум зависит от эффективной шумовой полосы детектирования, которая ограничивает нижний предел измерения уровня сигнала генератора. Эффективная шумовая полоса в приборе определяется используемой оконной функцией быстрого преобразования Фурье и временем измерения. В FSMR3000 используется окно с плоской вершиной для достижения максимальной точности измерений. Эффективная шумовая полоса в свою очередь обратно пропорциональна времени измерений.

Уменьшить случайную погрешность измерения из-за низкого отношения сигнал/шум можно, установив в приборе более длительное время измерения и/или более высокий коэффициент усреднения, что в свою очередь увеличивает время измерения. Уменьшить случайную погрешность можно также, увеличив отношение сигнал/шум, используя встроенный предварительный усилитель, входящий в опциональный состав прибора FSMR3000.

Заметный вклад в общую погрешность измерения уровня генератора вносит погрешность из-за рассогласования источника, кабельного соединения и ВЧ-входа измерительного приемника при изменении КСВН источника. КСВН генератора изменяется при снижении мощности генератора вследствие переключения ступенчатого аттенюатора на выходе генератора. В этом случае возникает погреш­ность, зависящая от КСВН FSMR3000 и генератора. Различные методы измерения КСВН генераторов сигналов рассмотрены в [6]. Поскольку при измерении уровня мощности генератора с помощью FSMR3000 обычно изменяется настройка его входного аттенюатора и, следовательно, КСВН, эти дополнительные изменения КСВН приводят к увеличению погрешности измерения, связанной с рассогласованием источника сигнала и измерительного приемника.

Чтобы уменьшить эту погрешность рекомендуется использовать внеш­ний прецизионный аттенюатор с ослаблением 10 дБ, либо модуль датчика мощности R&S^®NRP-Z27 или R&S^®NRP-Z37 (далее – NRP-Z27/Z37). Аттенюатор следует подсоединять непосредственно к испытуемому ге­нератору. При использовании высоко­качественного измерительного кабеля с КСВН менее 1,2 его можно не учиты­вать при расчетах, поскольку доминирующим фактором будет КСВН FSMR3000.

Отличительной особенностью датчика мощности NRP-Z27/Z37 является его низкий постоянный КСВН, который слабо зависит от диапазона измерения FSMR3000 из-за хорошей развязки модуля. Тем самым уменьшаются погрешности, которые обычно возникают при изменении импеданса нагрузки (КСВН датчика и FSMR3000 при переключении входного аттенюатора). Однако при этом вносимые потери модуля датчика мощности NRP-Z27/Z37 снижают входную чувствительность измерительного приемника, что накладывает определенное ограничение на их применение для измерения низких уровней сигнала генератора.

Модуль датчика мощности NRP-Z27/37 позволяет сочетать преимущес­тва термоэлектрических датчиков мощности с надежностью и воспроизводимос­тью прецизионного делителя мощности. Низкий постоянный КСВН и хо­рошая развязка входа FSMR3000 значительно снижают погрешности изме­рения, возникающие из-за КСВН испытуемого генератора. Данная конфигурация также устраняет необходимость механического переподключения датчика мощности и измерительного кабеля.

Анализ вклада источников погрешности в общую погрешность измерения уровня сигнала генератора с помощью измерительного приемника FSMR3000

В таблице 1 приведены результаты расчета погрешности измерения уровня мощности сигнала генератора прибором FSMR3008 с датчиком мощности NRP18T без аттенюатора и с подключенным аттенюатором, а также с датчиком мощности NRP-Z27 при нормальных условиях эксплуатации. Погрешности установки и дрейфа нуля, шум отображения датчика мощности и погрешность от диапазона к диапазону приемника пренебрежимо малы и не учитывались в расчете. Расчет проводился на основе технических данных приборов, приведенных в [2,3,7], для генератора с КСВН, равным 1,5. Использовалось значение КСВН аттенюатора, равное 1,1.

Табл. 1

Из результатов расчета следует, что основной вклад в общую погрешность измерения уровня сигнала генератора вносит погрешность рассогласования. Использование внешнего прецизионного аттенюатора позволяет уменьшить погрешность из-за рассогласования выхода генератора и ВЧ-входа измерительного приемника. В связи с тем, что аттенюатор вносит потери в измерительный тракт, отношение сигнал/шум ухудшается, что приводит к незначительному увеличению случайной погрешности измерения. Тем не менее, использование внешнего аттенюатора позволяет получить значительно меньшую общую погрешность измере­ния уровня сигнала генератора измерительным приемником FSMR3000. В приведенном примере она состав­ляет 0,24 дБ.

При использовании модуля датчика мощности NRP-Z27/Z37 прибор FSMR3000 обеспечивает такую же низкую погрешность измерения, что и с датчиком мощности NRPxxT и пре­цизионным аттенюатором. Особым преимуществом данной конфигура­ции является то, что измерения могут быть автоматизированы, поскольку устраняется трудоемкий процесс подключения и отключения измери­тельных кабелей, приводящий к износу ВЧ-разъемов оборудования.

Литература

1. R&S^®FSMR3000 Measuring Receiver // Product Brochure, PD 3608.5741.12, Version 02.00, October 2021/

2. R&S^®FSMR3000 Measuring Receiver // Specifications, PD 3608.5741.22, Version 01.01, October 2021.

3. R&S^®NRP Power Meter Family // Specifications, PD 3607.0852.22, Version 11.00, July 2021.

4. Minihold R. RF Level Measurement Uncertainties with the Measuring Receiver R&S(R) FSMR // Application Note 1MA92, 03.2006.

5. Signal Source Level Calibration using the FSMR3000 // Application Note 1SL377, Version 0e, 11.2021.

6. Пивак А., Репин А. Измерение КСВН генераторов сигналов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2021. № 1. С. 86–89.