שיטת הבדיקה החדשה מאפיינת את המיקסרים וממירי התדרים בצורה מלאה, ללא שימוש בערבלי ייחוס וכיול. מאת: דיוויד באלו, Agilent Technologies. רכיבים ממירי תדרים – התקנים כגון מיקסרים (ערבלים) או ממירי תדרים, אשר ממירים אותות כניסה מפס תדרים אחד למשנהו – מהווים מרכיבי מפתח ברוב מערכות ה-RF והמיקרוגל. הם מהווים את לב-לבם של מקלטים ומקמ”שים לווייניים, מערכות מכ”ם ורשתות טלקומוניקציה. אם בעבר היה די באפיון היענות האמפליטודה של רכיבים אלה, כיום נדרשים המהנדסים לדעת בנוסף מהי היענות השהיית הפאזה (phase delay) והשהיית החבורה (group delay). זמינות מידע אודות אמפליטודה ופאזה עבור כלל רכיבי המערכת מאפשרת למתכננים לבצע הדמיה ולשפר את ביצועי המערכת הכוללים.
איור 1. הגישה המסורתית כלפי בדיקת מיקסרים וממירי תדרים מחייבת שימוש במיקסר ייחוס לצורך אספקת אות בתדר זהה לזה הקיים במוצא ה-DUT, עבור בדיקות יחס הפאזה בין המקלטים R1 ו-B1.
הגישה המסורתית לבדיקות
באופן מסורתי, נתחי הרשת הווקטוריים (VNA) היו הכלי הנבחר לצורך אפיון ביצועי האמפליטודה והפאזה של המיקסר או ממיר התדרים. לכלים אלה יש שניים או ארבעה פורטי בדיקה, מקור RF אחד או שני מקורות RF פנימיים הסורקים במהירות (בהשוואה לשימוש במקורות נפרדים של אותות ובנתח ספקטרום או מד הספק), וכן מספקים נתונים קומפלקסיים אודות מקדמי ההחזרה (לדוגמה, התאמה במבוא ובמוצא) וההעברה. ל-VNAs יכולת להסיט את תדרי המקור והמקלטים, תכונה חיונית לבדיקה של התקנים ממירי תדרים.
איור 2. התקנת ה-SMC+Setup היא תהליך פשוט, שכן לא נדרשים ערבלי ייחוס וכיול. כיול מערכת הבדיקה מבוצע באמצעות חיישן הספק (שמאל), comb generator של אותות פס רחב (מרכז) ומודול ECal (ימין), או באמצעות ערכת כיול מכאנית.
בדרך כלל, כאשר נעשה שימוש ב-VNA, נדרשים שני מיקסרים נוספים לצורך אפיון ההתקן הנבדק (DUT). המיקסר הראשון מספק אותות למקלט הייחוס של ה-VNA בתדר זהה לזה של מוצא ההתקן הנבדק. אות זה מהווה ייחוס פאזה לצורך מדידות של השהיות הפאזה והחבורה (איור 1). במקרה של VNAs ישנים יותר, מיקסר הייחוס שימש גם לצורך נעילת פאזה של המקור הפנימי בהתאם לתדר ההיסט הנכון. בניגוד לכך, התקני ה-VNA המודרניים משתמשים במקורות RF בסנתוז מלא, אשר אינם מצריכים שימוש במערבל ייחוס.
כיול ה-VNA עבור מדידות אלה מצריך ייחוס הספק וייחוס פאזה, כמו גם סטי כיול סטנדרטיים למדידות S-parameter, כגון ECal, או ערכת כיול מכאנית. כיול ההספק מבוצע באמצעות חיישן הספק. מכשירים כגון משפחת ה-PNA של נתחי רשת מכיילים את כל המקלטים של פורטי הבדיקה, על בסיס כיול הספק יחיד בפורט 1, וה-error terms הסטנדרטיים של ה-S-parameters שקיימים בין הפורטים. כיול היענות הפאזה של המקלטים מבוצע בדרך כלל באמצעות מיקסר נוסף. מיקסר כיול זה משמש כהתקן מאופיין, דהיינו – כזה שהיענויות החזרות וההעברה שלו ידועות. אחת הדרכים לביצוע פעולה זו היא על-ידי ביצוע שלוש מדידות החזרות בנקודת הכניסה של מיקסר הכיול הרסיפרוקלי (הדדי), המצויד במסנן IF (תדר ביניים) מתאים במוצא, תוך הצגת שלוש עכבות שונות במוצא הצמד המיקסר/מסנן. עכבות אלה יכולות להגיע מסט כיול סטנדרטי כ-open, short ו-load, או דרך מודול ה-ECal. על סמך נתונים אלה, ניתן לחשב את התאמת המבוא, התאמת המוצא ואת היענות ההעברה הדו-כיוונית. בעת שימוש במיקסר רסיפרוקלי, ניתן לחשב בקלות את היענות ההעברה החד-כיוונית על-ידי חלוקת ההיענות הדו-כיוונית לשניים.
אף על פי ששיטה זו אינה מסובכת במיוחד ונפוצה למדי, הרי שבפועל, קשה לעתים למצוא ערבלי ייחוס וכיול מתאימים ואת מסנן ה-IF הנכון – במיוחד כאשר נדרשת מדידה של DUTs מרובים ובעיקר עבור תדרים שגבוהים מ-26.5 גה”צ. גם עצם האספקה של אותות מתנד מקומי (LO, local oscillator) לערבלי הייחוס והכיול עלולה להיות מעיקה, במיוחד בעת השימוש ב-VNA ישנים, שאינם מצוידים במקור מובנה נוסף. חלופה פשוטה יותר יכולה להאיץ את תהליך הגדרת המדידה והכיול, וכך להגדיל את הפרודוקטיביות של מהנדסי התכנון והבדיקה.
איור 3. בעת מדידת התקנים עם LOs מוטבעים, ה-PNA משתמש בסריקת תדר גסה (למעלה) לצורך קביעת הסטייה הנומינאלית של ה-LO. סריקה (sweep) של פאזה לעומת זמן (למטה) משמשת לכוונון עדין של הערכת הסטייה של ה-LO.
ביטול ערבלי הייחוס והכיול
אחד הפתרונות לדילמה זו היא שיטת ה-SMC+Phase החדשה, אשר פותחה עבור נתחי רשתות המיקרוגל Agilent PNA ו-PNA-X. שיטה זו מונעת את הצורך במיקסר ייחוס וכיול, בעת בדיקה של השהיית הפאזה או השהיית החבורה של התקנים ממרי תדרים. במקום להסתמך על היחס בין אות הבדיקה ואות הייחוס באותו תדר, השיטה מחשבת את יחס מדידות הפאזה המבוצעות על בסיס מקלט יחיד בתדרים שונים (אלה התואמים למבוא ולמוצא של ה-DUT).
טכניקה זו מסתמכת על קוהרנטיות הפאזה המובנית של ארכיטקטורת הסינתזה מבוססת ה-fractional-N, שבה נעשה שימוש עבור מקורות ה-PNA. קוהרנטיות פאזה יחסית נשמרת לאורך סריקת התדר (frequency sweep) על-ידי הגדלה ספרתית של מספר צוברי המופע (phase accumulators) המוטבעים בחומרת ה-fractional-N, וכן על-ידי שימוש בגילוי IF סינכרוני ובעיבוד אותות דיגיטליים. בנקודות המעבר בין תחומי התדרים, שם גורמים מספרי ה-synthesizer-divide המשתנים לקפיצה בפאזה, הפאזה “נתפרת” באופן מתמטי כדי לשמר את הקוהרנטיות לרוחב הסריקה. השינויים בפאזה בין סריקה לסריקה מבוטלים על-ידי נרמול נקודה אחת בסריקת הפאזה והפיכתה לאפס – פעולה שמאפשרת שימוש ב-sweep averaging כטכניקה יעילה להפחתת רעשים. [1].
בנוסף למדידות פאזה המבוססות על מקלט יחיד, אשר מאפשרות לבטל את מיקסר הייחוס, פותחה גם שיטה חדשה לכיול פאזה, אשר מונעת את הצורך במיקסר כיול “מאופיין”. במקום להשתמש במיקסר לצורך הגדרת היענות הפאזה-לעומת-התדר של מקלטי ה-PNA, נעשה שימוש ב-comb generator הרמוני לצורך יצירת מסרק אותות, במרווחים של 10 מה”צ, עד לרמה של 67 גה”צ. לאחר כיול הפאזה, ניתן לבצע מדידות מדויקות של סטיית הפאזה ושל השהיית החבורה האבסולוטית. כמו במדידות SMC קודמות, גם במקרה זה נעשה שימוש בחיישן הספק לצורך כיול מדויק של היענות האמפליטודה של המקלטים (איור 2).
התקני מדידה עם LOs מוטבעים
מדידות SMC+Phase ניתנות לביצוע בקלות על גבי התקנים המצוידים ב-LOs (מתנדים מקומיים), שאינם נעולים לייחוס ה-10 מה”צ של המערכת. המדידות עושות שימוש באלגוריתמי חיפוש שפותחו בעבר ואשר מכווננים את המקלטים של ה-PNA לאותות המוצא בפועל של ההתקן תחת בדיקה, במקום להסתמך על תדרי ה-LO הנומינאליים (איור 3). המעקב מבוצע על בסיס sweep-by-sweep, כדי לעמוד בקצב של סחיפת ה-(LO (drift. בניגוד לגישת ה-modulated-carrier envelope (מעטפת גל מאופנן) של בדיקת DUTs עם LOs מוטבעים, שיטת ה-PNA פשוטה ואינה מצריכה שני מקורות RF ומשלב אותות. בנוסף, היא מאפשרת למדידות phase-versus-drive לאפיין את שינויי הפאזה לעומת רמות הספק הכניסה של ה-RF -יכולת שאינה זמינה בשיטת המעטפת.
סיום
בזכות נתחי הרשת ממשפחת PNA ו-PNA-X של Agilent, בדיקות המיקסרים והממירים מעולם לא היו פשוטות יותר. שיטת ה-SMC+Phase החדשה משתמשת במדידות פאזה מבוססות מקלט יחיד, על מנת לבטל את הצורך בערבלי ייחוס. החיבור ל-DUT פשוט ממש כמו חיבור כבלי כניסה ויציאה, ובמקרה הצורך, ניתן לחבר כבל שלישי למקור הנוסף, כדי שישמש כאות LO. השיטה החדשה לכיול פאזה עושה שימוש ב-comb generator הרמוני של פס רחב, כסטנדרט פאזי שמונע את הצורך בערבלי כיול ובמסנני ה-IF הנלווים אליהם. השיטה צפויה לחולל מהפכה בתחום הבדיקות של מיקסרים וממירים, על-ידי כך שהיא מאפשרת התקנה פשוטה והשגת תוצאות מהירות ומדויקות, על בסיס תקני כיול קלים לשימוש בפס רחב. תהליך האפיון הפשוט והמהיר של המיקסרים וממירי התדרים מגדיל את הפרודוקטיביות של מהנדסי התכנון והבדיקה ומסייע להם לקצר את זמני הפיתוח ולהפחית את עלויות הבדיקה.
הפניות
[1] Dunsmore, J. Ericsson, J., “A novel method for measuring phase and group delay of mixers without a reference mixer,” Proceedings of the Automated RF Techniques Group (ARFTG) Microwave Measurements Conference, May 28, 2010, Anaheim, CA.
