עצות שימושיות לביצוע מדידות מדויקות עבור אותות מכ”ם

Sook Hua Wong
Agilent Technologies

תקציר:
מדידת הספק המוצא היא אחת המדידות הבסיסיות של מערכת המכ”ם, שכן היא קובעת את רמת הביצועים, הטווח והרזולוציה של המערכת. המדידות הנפוצות ביותר של הספק המוצא הן pulse power (עוצמת פולס), pulse repetition interval (מרווח חזרת הפולס), pulse width (רוחב פולס) וכן זמני עלייה וירידה. כיוון שזמני העלייה והירידה של האות קובעים מהו רוחב הפס של המערכת ומשפיעים על הגילוי ועל הזיהוי של מטרות, יש לבצע את מדידת זמני העלייה והירידה של מערכת המכ”ם בצורה יסודית, על מנת להבטיח מדידה מדויקת ונשנית.
מאמר זה כולל ארבע עצות שימושיות לביצוע מדידות מדויקות ונשנות של זמני עלייה וירידה של אותות מכ”ם, תוך שימוש במדי הספק של אותות RF ומיקרוגל.

איור 1: תקן IEEE STD-181-2011 מגדיר את שכיח האלגוריתם של ההיסטוגרמה, לצורך זיהוי רמות הייחוס

טבלה 1: זמן העלייה משתנה בכפוף להגדרות שונות של סקאלת הזמן

עצה 1: הגדר את רמות הייחוס הנכונות
כדי שמדידות זמני העלייה והירידה יבוצעו במדויק, חשוב להגדיר במדויק את זמן עלייה וזמן ירידה. לפי הנאמר בתקן IEEE STD-181-2011, תקן ה-IEEE עבור מעברים, פולסים וצורות גל מקורבות, המונח “זמן עלייה וירידה” הוחלף על-ידי התיאור “מדידת משך המעבר, הן חיובית והן שלילית”. משך המעבר מוגדר כ”הפרש בין שני מופעים של רמות ייחוס המתייחסות למעבר יחיד. אלא אם כן נאמר אחרת, שתי רמות הייחוס המדוברות הן רמות הייחוס של 10% ושל 90%”.
רמות הייחוס הסטנדרטיות של 10%, 50% ו-90% משמשות בדרך כלל להגדרת זמן עלייה, זמן ירידה, רוחב פולס ומשך פולס. עם זאת, לעתים תכופות נזכרות רמות הייחוס של 1%, 25% ו-81%. מהו הקשר בין שתי הערכות של רמות הייחוס ובאיזו מהן עלינו להשתמש?
מדידות הייחוס הסטנדרטיות של 10%, 50% ו-90% משמשות בדרך כלל לתצורות גל הספק. עם זאת, במקרה של מערכת המכ”ם, רוב התזמון – כגון משך הזמן בין פולסי הבקרה – נגזרמתחום המתח ומתייחס למרווח שבין פולסי הבקרה. כיוון שההספק עומד ביחס פרופורציונאלי לריבוע המתח, יש להתאים את רמות הייחוס של 10%, 50% ו-90% שב-voltage domain והתוצאה המתקבלת ממופה לרמות של 1%, 25% ו-81% בצורת גל ההספק. לפיכך, כדי לחשב במדויק את זמן העלייה, זמן הירידה ורוחב הפולס, יש להגדיר את רמות הייחוס הנכונות, וזאת על סמך היות נתוני התזמון של המערכת נגזרים בתחום ה-voltage או ה-power.
תקן IEEE STD-181-2011 מגדיר את האלגוריתם שבו ניתן להשתמש לצורך חישוב רמות הייחוס, כמתואר באיור 1 להלן
1. ייצור היסטוגרמה על סמך צורת הגל, תוך שימוש במספר bins הממוקמים במרווחים שווים בין ערכי המקסימום והמינימום שבצורת הגל.
2. פצל ההתפלגות הדו-שכיחית (bi-modal distribution) לשני תתי-היסטוגרמות (באיור 2 מוצג רק החלק העליון של ההיסטוגרמה).
3. רמות הייחוס נקבעות על-ידי בחירת ערך הממוצע או השכיח של תתי-ההיסטוגרמות.
מד ההספק Agilent P-Series N1911A/N1912A וחיישני שיא וממוצע ההספק תואמי ה-USB מסדרת U2020 X- משתמשים בשכיח אלגוריתם ההיסטוגרמה לצורך הגדרת רמות ייחוס של 0% ושל 100% עבור מדידות מדויקות של פרמטרי פולסים. רמות ייחוס ברירת המחדל שמשמשות למדידת זמני עלייה/ירידה ורוחב פולסים הן 10%, 50% ו-90% מערך הפולסים העליון. שתי המשפחות של מדי ההספק מאפשרות למשתמשים לכוונן את רמת הייחוס ל-1%, 25% ו-81% (או כל ערך אחר), עבור מערכות מכ”ם שנגזרות ב-voltage domain.

(א) יחידת חיישן ההספק מוגדרת כ-dBm (ב) יחידת חיישן ההספק מוגדרת כוואט

עצה 2: ודא שרצפת הרעש של המכשיר נמצאת 20dB לפחות מתחת לערך העליון של פולס האות
מקובל לבחון את צורות הגל תוך שימוש ב-dB scaling. במקרה זה, רמות הייחוס 1%, 25% ו-81% ממופות ל–20, -6 ו- -0.1, בעוד שרמות הייחוס 10%, 50% ו-90% ממופות ל- -10, -3 ו- -0.05, כאשר שני המקרים הנם רלטיביים לרמת הייחוס של 100%, אשר מובעת ב-dBm.
הבעת המספרים ב-dB מבהירה, כי רצפת הרעש של המכשיר חייבת להיות נמוכה ב- 20 לפחות מן הערך העליון של פולס האות, על מנת שניתן יהיה למדוד במדויק את זמן העלייה והירידה שבין 1% ל-81%.

עצה 3: לכוד את ה-rising edge או ה-falling edge במלואם
כמשתמש במד הספק, אתה עשוי לקבל מדידות שונות של זמני עלייה וירידה בעת שימוש בהגדרות scale שונות. ייתכן שתתהה, מהו הערך המדויק. הסעיף הבא מתייחס לתרחיש זה ומתאר כיצד ניתן לזהות מדידות ערכים מדויקות.
הבה נבחן דוגמה למדידת זמן עלייה, שמתבצעת באמצעות חיישן שיא וממוצע הספק תואם USB מסדרת U2021XA X ומקור אותות ESG. בעת הגדרת סקאלת זמן שונה, חיישן ההספק מדווח על מדידות שונות של זמן עלייה:
האם ידוע לך מדוע? ההבדלים נגרמים כיוון של-ESG נדרשות כ-500ns כדי להגיע מערך של -3 לערך הפולס העליון (ראה איור 2 ב’). ניתן להבחין בקלות בהתנהגות זו אם נחליף את יחידת חיישן ההספק מ-dB לוואט. טבלה 1 המופיעה לעיל מלמדת, כי מדידת זמן העלייה מתחילה להתייצב בעת שהגדרת ה-time scale מגיעה
ל-ns/div ומאפשרת לחיישן ההספק ללכוד את ה-rising edge במלואו, עד לערך הפולס העליון בנקודת ה-500ns (כאשר סיום העקבה מוגדר כ-500ns). כל עוד הגדרת ה-time scale הנה ארוכה במידה המאפשרת לחיישן ההספק ללכוד את רמת הפולס העליונה, חיישן ההספק מסוגל לספק מדידות עקביות של זמן העלייה. עם זאת, כאשר מרווח הזמן המוגדר עבור ה-time scale ארוך מדי, הרזולוציה יורדת ודיוק המדידה מתחיל להיפגע. ראה שורה I של טבלה 1.
לפיכך, כדי לקבל מדידה מדויקת ועקבית של זמן העלייה, כלל האצבע הוא, כי יש להגדיר את ה-time scale של חיישן ההספק באופן המאפשר לו לבצע “זום” ל-rising edge של הפולס ולוודא, כי חיישן ההספק מצליח ללכוד את רמת הפולס העליונה (או רמת הייחוס של 100%). עיקרון זהה חל גם על מדידות זמן הירידה. הגדר את ה-time scale של חיישן ההספק באופן המאפשר לו לבצע “זום” ל-falling edge של הפולס וודא כי זמן ההתחלה של העקבה לוכד את רמת הפולס העליונה לפני תחילת הירידה.

עצה 4: השתמש במכשיר שזמן העלייה של המערכת מהיר יותר מאשר זמן העלייה של האות
כשאתה מנסה למדוד אותות של פולסי מכ”ם אשר מתאפיינים בזמן עלייה/ירידה מהיר במיוחד, חשוב להשתמש במכשיר שמתאפיין בזמן עלייה/ירידה מהיר יותר מזמן העלייה/הירידה הצפוי של האות. כדי להפחית עוד יותר את חוסר הוודאות לגבי המדידה, מומלץ למדוד את פולס ה-RF של ההתקן תחת בדיקה (DUT) באופן ישיר, מבלי להשתמש במתאמים או ממירים.
באיור 3 מוצגת שגיאת המדידה בזמן העלייה (באחוזים) של חיישני השיא וממוצע ההספק תואמי ה-USB מסדרת Agilent U2020 X, לעומת זמן העלייה בפועל של ה-DUT. שים לב, כי עבור זמן עלייה מערכתי של 13 ns אשר מאפיין את חיישני X-Series, השגיאה הנמדדת עבור אות בעל זמן עלייה של 13 ns עומדת על 41%. חיישני X-Series מסוגלים למדוד זמן עלייה של אותות שגבוה מ-30 ns בצורה מדויקת, תוך שמירה על שגיאה הפחותה מ-10%. הגרף בנוי על משוואת השגיאה הבאה:

איור 3: שגיאה באחוזים של זמן העלייה שנמדד על-ידי חיישן ההספק U2020 X-Series לעומת זמן העלייה של האות תחת בדיקה.

סיום:
לא קשה להגיע לתוצאות מדידה מדויקות ועקביות של זמן עלייה וירידה, כל עוד נבחר במכשיר המתאים ונגדיר אותו כיאות. ראשית, עליך להגדיר את רמות הייחוס הנכונות בכפוף לשאלה האם האות מיוצר בתחום ה-power או ה-voltage. שנית, יש לוודא כי רצפת הרעש של המכשיר נמוכה ב- 20 לפחות מרמת הפולס העליונה של האות, וזאת כדי להבטיח, כי ניתן יהיה ללכוד את רמת הייחוס שבין 1% ל-81%. שלישית, יש ללכוד את ה-rising edge או ה-falling edge במלואם. לסיום, ודא כי זמן העלייה המערכתי של המכשיר ארוך מספיק כדי לאפשר מדידה מדויקת של זמן העלייה של האות. חיישני שיא וממוצע ההספק מסדרת Agilent U2020 X- החדשה מתאפיינים בביצועי זמן עלייה של ns13, רמות ייחוס שניתנות להגדרה על-ידי המשתמש, טווח דינאמי רחב של הספק שיא, קומפקטי ונייד, לפיכך הנם המכשירים המתאימים ביותר למדידות פולסי מכ”ם.