Планар с расширителями частоты Ceyear

Эффективное решения для измерения электрических параметров устройств, работающих в области миллиметрового диапазона, может быть построено на базе серийно выпускаемых векторных анализаторов цепей отечественного производства, а также модулей расширения диапазона рабочих частот от компании Ceyear.

Измерительная установка состоит из векторного анализатора цепей C4220 серии КобальтFx от компании Планар.

Уникальными особенностями данного прибора являются наличие второго встроенного источника для формирования сигнала гетеродина при двухпортовой конфигурации прибора, возможность осуществления прямого доступа к трактам опорных и измерительных приемников, а также встроенные программные возможности настройки режима измерений с использованием внешних устройств с преобразованием частоты.

Стандартно, подобные измерительные решения основываются на использовании четырехпортовых приборов с двумя встроенными источниками или на использовании двухпортового прибора и специализированных контроллеров миллиметрового диапазона. Диапазон рабочих частот векторного анализатора цепей составляет от 100 кГц до 20 ГГц. Для расширения диапазона рабочих от 110 ГГц до 170 ГГц используются модули Ceyear 3643Q, максимальный уровень выходной мощности которых составляет -1 дБм, что вполне достаточно для большинства измерительных задач.

Модули расширения частотного диапазона (МРЧД)

Модули расширения частотного диапазона (МРЧД) предназначены для расширения диапазона рабочих частот векторных анализаторов цепей (ВАЦ) с целью измерения комплексных коэффициентов отражения и передачи в области КВЧ диапазона.

Принцип действия МРЧД основан на переносе рабочего диапазона частот векторного анализатора цепей вверх по частоте. При этом в модуле расширения частотного диапазона формируется зондирующая электромагнитная волна заданной частоты и при помощи волноводного двунаправленного ответвителя выделяются составляющие падающей и отраженной волн. Измерительный сигнал генерируется модулем частотного расширения путем умножения, усиления и фильтрации опорного сигнала, поступающего на вход модуля с векторного анализатора цепей. Питание модулей производится от внешних источников питания постоянного тока.

Компания Ceyear производит линейку различных моделей модулей расширения частотного диапазона, которые в совокупности покрывают диапазон рабочих частот от 50 ГГц до 500 ГГц.

Характеристики модулей расширения частотного диапазона Ceyear 3643Q, используемых в стенде:

Наименование характеристики	Значение
Диапазон рабочих частот выходного сигнала, ГГц:	от 110 до 170
Диапазон частот на входе «RF», ГГц:	от 9,16 до 14,16
Диапазон частот на входе «LO», ГГц:	от 9,14 до 14,14
Выходная частота ПЧ, ГГц:	0,279
Максимальная выходная мощность, дБ (1 мВт), не менее:	минус 1
Максимальный уровень мощности на входах «RF» и «LO», дБ (1 мВт), не менее:	15
Динамический диапазон при ПЧ 10 Гц, дБ, не менее	100
Направленность, дБ:	35
Согласование нагрузки, дБ:	35
Трекинг отражения, дБ:	0,15
Трекинг передачи, дБ:	0,15

Векторный анализатор цепей

Векторные анализаторы цепей предназначены для измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения (элементов матрицы рассеяния) многополюсников. Высокопроизводительный векторные анализаторы цепей серии Кобальт с диапазоном рабочих частот от 100 кГц до 20,0 ГГц, имеют реконфигурируемый измерительный тракт с возможностью подключения МРЧД. Сигнальные тракты для обеспечения подключения МРЧД с помощью съемных 3,5 мм перемычек выведены на переднюю панель прибора. ВАЦ внесен в Государственный реестр средств измерений под номером 65960-16.

Упрощенная структурная схема внутреннего устройства одного тестового порта ВАЦ представлена ниже. Выход сигнала генератора гетеродинного сигнала осуществляется через центральную перемычку на лицевой панели прибора.

Характеристики ВАЦ Планар C4220:

Наименование характеристики	Значение
Диапазон рабочих частот, МГц:	от 0,1 до 20000
Минимальный шаг установки частоты, Гц, не более:	1
Пределы допускаемой относительной погрешности установки частоты выходного сигнала, не более:	±2·10^-6
Диапазон установки уровня выходной мощности, дБм:	от минус 60 до плюс 10
Пределы допускаемой относительной погрешности установки уровня выходной мощности, дБ, не более:	±1,5
Уровень собственного шума приёмников в диапазоне частот от 1 МГц до 20 ГГц, дБм/Гц, не более:	минус 133
Динамический диапазон при полосе пропускания фильтра промежуточной частоты 1 Гц в диапазоне частот от 1 МГц до 20 ГГц, дБ, не менее:	143
Диапазон измерений модуля коэффициента отражения:	от 0 до 1
Диапазон измерений модуля коэффициента передачи в диапазоне частот от 1 МГц до 20 ГГц, дБ:	от минус 123 до 10
Среднее квадратическое отклонение трассы при измерении модуля коэффициентов передачи и отражения в диапазоне частот от 1 МГц до 20 ГГц и полосе фильтра промежуточной частоты 3 кГц, дБ, не более:	0,001

НАСТРОЙКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Для проведения измерений была собрана измерительная установка на базе ВАЦ C4220 и МРЧД 3643Q. Схема подключения измерительной установки представлена на рисунке 6. Измерительный блок ВАЦ обеспечивает формирование измерительного и гетеродинного сигналов в определенном диапазоне частот и мощностей. Сигналы поступают МРЧД по соединительным кабелям RF и LO из состава модуля. Измерительный сигнал, поступающий с анализатора, умножается в модуле по частоте, фильтруется и масштабируется.

Выделенные падающий и отраженный сигналы переносятся в модуле на промежуточную частоту с помощью встроенных смесителей, работающих на гармониках сигнала гетеродина. Затем сигналы промежуточной частоты опорного и измерительного каналов поступают на соответствующие входы векторного анализатора цепей, оцифровываются, обрабатываются и выводятся на экран прибора.

Анализатор, в свою очередь, осуществляет цифровую обработку. Окончательный расчет и отображение результатов измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения выполняет внешний компьютер с установленным программным обеспечением.

Для проведения измерений были установлены следующие физические условия:
- диапазон рабочих частот: от 110 ГГц до 170 ГГц;
- диапазон частот измерительного сигнала: от 9,16 ГГц до 14,16 ГГц;
- диапазон частот гетеродинного сигнала: от 9,16 ГГц до 14,16 ГГц;
- коэффициент умножения частоты измерительного и гетеродинного сигналов: 12;
- уровень мощности измерительного и гетеродинного сигналов: 5 дБм;
- ширина полосы фильтра ПЧ: 10 Гц.
- количество точек измерительной трассы: 101;
- количество усреднений: 10.

Встроенные программные возможности ВАЦ C4220 позволяют без затруднений проводить настройку режима измерений с использованием внешних МРЧД. В меню настройки расширителей частоты устанавливаются начальная и конечные частоты МРДЧ, коэффициенты умножения измерительного сигнала и сигнала гетеродина, уровень мощности измерительного сигнала и сигнала гетеродина, а также вносимые потери используемых кабелей для более точной настройки уровня требуемой мощности в сечении МРЧД.

Для проведения векторной коррекции ошибок использовался TRL метод калибровки с помощью набора волноводных калибровочных мер 32155 от Ceyear. В комплект данного набора входят меры короткого замыкания, четвертьволновая вставка, согласованная нагрузка, скользящая нагрузка, а также две прямые волноводные секции.

В меню редактирования комплекта калибровочных мер был вручную добавлен требуемый волноводный набор путем определения параметров каждой меры из состава набора 32155:

После проведения калибровки были осуществлены измерения параметров матрицы рассеивания при прямом соединении двух МРЧД, при соединении двух модулей МРЧД через четвертьволновый отрезок, а также проведена оценка динамического диапазона при подключении к двум МРЧД согласованных нагрузок.