תיאום מדידות מיקרוגל בין נתחים ניידים לבין נתחי מעבדה

טום הופין, Agilent Technologies

בעת שיותר ויותר טכנאים ומהנדסים יוצאים אל השטח לצורך ביצוע מדידות בתנאים לא ידידותיים במיוחד, הצורך במכשור מדידה נייד ומדויק הופך משמעותי יותר. עם זאת, עבור רבים, ההתייחסות “למדידות מיקרוגל מדויקות” מעוררת תמונות של מכשור שולחני בסביבת מעבדה. רק לאחרונה הופיע בשוק מכשור נייד, אשר מתאפיין ברמת דיוק שאינה נופלת מתוצאות המדידה של המקבילים המעבדתיים היקרים. מכשירי “הכול כלול” מודרניים אלה מספקים כעת לטכנאים ולמהנדסים את היכולת לבצע מדידות מיקרוגל מדויקות של רשתות, ספקטרום, הספק ותדירות, תוך השגת תוצאות שהתאמתן נאמדת במאית ה-dB. עם זאת, לא כל הנתחים הניידים המודרניים נוצרו שווים.
על מנת להבטיח כי ההתקן הנייד יספק רמת ביצועים גבוהה, יש להשוות את ביצועיו לאלה של מכשיר מעבדתי. נקודת ההתחלה הטבעית הם המפרטים הכלולים בגיליונות הנתונים של היצרן, אולם השוואה ישירה עלולה להיות מסובכת, שכן המפרטים מתייחסים לעתים קרובות לתנאי פעולה ייחודיים. לדוגמה, מפרטיו של ההתקן הנייד עשויים להתייחס לסביבות פעולה קשות, בעוד שמפרטי המקביל השולחני עשויים להיות רלוונטיים לסביבות מיוצבות טמפרטורה. גם עיון בספרות טכנית הכוללת דוגמאות שמשוות בין מכשירים מעבדתיים לניידים אינו פשוט כלל, וזאת משום שלעתים חומרים אלה מוגבלים מאוד. הגישור על פער זה מצריך קורלציה בפועל של המדידות שתועדו באמצעות מספר מכשירי מעבדה עם המדידות שתועדו באמצעות המכשיר הנייד. זו הדרך היחידה שיכולה להבטיח, כי המכשיר הנייד אכן מספק את מדידות המיקרוגל המדויקות שדרושות לצורך בדיקה נאותה בשטח.

מדוע קורלציה?
קורלציה מתייחסת להתאמה היחסית בין ערכת נתונים שנמדדה מתוך התקן תחת בדיקה (DUT) יחיד, אולם תועדה באמצעות מכשירים שונים, כגון מכשיר מעבדה גבוה ביצועים ומכשיר נייד. ככל שההסכמה גבוהה יותר, כך גדלה הסבירות, כי טכניקת מדידה אחת יכולה להחליף את האחרת. במקרה זה, היא יכולה לסייע בהכרעה בנוגע ליכולתו של מכשיר נייד נתון לספק רמת דיוק במדידה שזהה לזו של מכשיר מעבדה. אבל מדוע קורלציה כזו כה חשובה להבטחת פעולתו המוצלחת של ה-DUT?
בכל אחד משלביו של מחזור חיי המוצר מתבצעת מדידה של ה-DUT תוך שימוש במגוון מכשירים, הייחודיים לשלב פיתוח המוצר. לדוגמה, במהלך השלבים המוקדמים – אשר כוללים את אימות התכנון, פיתוח המוצר ובדיקות הייצור – המדידות מבוצעות לרוב באמצעות מכשור מעבדתי המצוי בסביבות מעבדה מבוקרות. במקרה של בדיקות מחקר ופיתוח, המכשור המעבדתי נבחר על בסיס ביצועיו, תכונותיו והטווח הדינמי האופייני לו.
עבור בדיקות ייצור, הפרמטרים החשובים כוללים מהירות מדידה גבוהה ועלות מכשור נמוכה. לאחר התקנת הרכיב או המערכת החדשים בשטח, יש לחזור על רבות ממדידות המעבדה כדי לאמת את ביצועי ההתקן. ייתכן גם שתדרשנה בדיקות נוספות בשטח, אם במהלך התחזוקה השגרתית ואם במסגרת פעולות תיקון המתבצעות מעת לעת. לעתים קרובות, בדיקות שטח אלה מבוצעות באמצעות התקן נייד, בתנאי בדיקה מאתגרים ביותר, לרבות תנאי מזג אוויר קשים כגון סופות שלגים או סופות חול, ואף על סיפונן של אוניות המפליגות במים סוערים.
עבור כל בדיקות השטח, תיאום בין הנתונים לבין מדידות המעבדה הינו בעל חשיבות קריטית לפעולתם המוצלחת של ההתקן ו/או של המערכת שתחת בדיקה. אם נתוני בדיקות השטח אינם תואמים כנדרש לנתוני המעבדה, עלול להיות מצב בו מוגדר כשל של רכיבים שהינם תקינים למעשה. לחילופין, רכיבים תקולים עלולים לעבור את הבדיקות כתקינים. קורלציה ראויה אף מבטיחה הסכמה של כל הצדדים המעורבים, כי ה-DUT אכן פועל בהתאם לתקני התכנון.

הוכחת הקורלציה של המדידה
כדי לקבוע את מידת הקורלציה של נתוני מדידה המופקים על-ידי מכשיר נייד נתון עם נתונים שנמדדו באמצעות מכשירי מעבדה איכותיים, ייתכן שתידרש בדיקה של מספר סוגי מדידה שונים (לדוגמה, ספקטרום, S-parameters והספק RF), במיוחד כאשר ניתן להגדיר את תצורתו של ההתקן הנייד כמכשירים שונים (לדוגמה, נתח ספקטרום, נתח רשת וקטורי או מד הספק).
כדוגמה, בתמונה 1 מוצגות שתי מדידות ספקטרום של אות multi-ton של 10GHz. האות מתאפיין ב-side tones שממוקמים במרווחים שווים בתדר וכן באמפליטודות שנמוכות ב-10dB לעומת הטון הסמוך. מדידת הספקטרום שמשמאל נלכדה באמצעות נתח אותות שולחני גבוה ביצועים, בעוד שהמדידה שמימין נלכדה באמצעות מכשיר נייד, בעת פעולתו במצב של נתח ספקטרום.
לצורך השוואה בין שתי המדידות נעשה שימוש בשני סמני דלתא. יש לשים לב כי במקרה של המכשיר המעבדתי, סמן הדלתא עומד על -40.37dB, בעוד שבמקרה של המכשיר הנייד הוא עומד על
-40.07dB. ההפרש המתקבל בין שני המכשירים הנו 0.3dB בלבד ומעיד על קורלציה טובה. תוצאות הסימנים עבור צלילים נוספים מעידים אף הם על קורלציה מצוינת בין שני המכשירים. לפיכך, אף על פי שהמכשיר הנייד המופיע בדוגמה זו אינו מהווה חלופה ישירה למכשיר המעבדה בכל הנוגע למהירות סריקה ולטווח דינמי, הרי שהוא מתאים מאוד הן לבדיקות שטח והן לבדיקות מעבדה לשימוש כללי.
לצורך השוואה בין תוצאותיה של מדידת S-parameters, נבחן את הדוגמה המוצגת בתמונה 2, שבה נעשה שימוש במגבר פס רחב של 3 עד 12GHz, בעל שבח של 23dB, כהתקן DUT. בדוגמה זו, נמדדו ארבעה S-parameters באמצעות שלושה נתחי רשת וקטוריים שונים – מהם שני מכשירי מעבדה והתקן נייד אחד. עבור כל שלושת המכשירים הוגדרו טווח תדרים של
100MHz עד 26.5, 401 נקודות מדידה ורוחב פס של תדרי ביניים שעמד על 10kHz. הם כוילו באמצעות כיול מכאני מלא של 2 פורטים.
למטרות ההשוואה, שלוש הערכות של ה-S-parameters שתועדו יוצאו אל אחד המכשירים המעבדתיים ונפרסו. האיור מלמד, כי שלוש ערכות המדידה הינן זהות למעשה, למעט סטייה בנתוני S21 שהופקו ממכשיר המעבדה, ואשר עליה מעידה העקבה הכחולה – וגם זאת רק בקצה הגבוה של טווח התדרים. קיימת קורלציה מעולה בין ההתקן הנייד (גרף אדום) לבין מכשיר המעבדה האיכותי האחר (גרף ירוק). גם במקרה זה, ההתקן הנייד מוכיח את עצמו כמתאים במיוחד למדידות S-parameters בשטח, כמו גם ליישומי מעבדה נפוצים.
בעת מדידת הספק RF עבור צורות גל מקוטעות ומורכבות של גל רציף (CW), ניתן להשתמש במגוון תצורות ציוד, כאשר הרכיב העיקרי הינו חיישן הספק. ניתן להגדיר את פעולתו של חיישן ההספק עם מד הספק נפרד, או עם חיבור למחשב אישי או למכשיר נייד/מעבדתי דרך כבל USB. המחשב או המכשיר הנייד/המעבדתי משמשים אך ורק להצגת מדידות ההספק. בהנחה כי נעשה שימוש בחיישן הספק זהה עבור תצורת המדידה של ההתקן הנייד וההתקן המעבדתי, שניהם אמורים להפיק תוצאות קרובות עד מאוד.
אף על פי שמד ההספק נחשב ל”תקן הזהב” עבור מדידות של הספק RF, הרי שניתן לבצע מדידות הספק באמצעות התקן נייד בלבד – וזאת בהנחה כי ההתקן הנייד מצויד ביכולת מדידה ישירה של הספק האות. למטרות השוואה, טבלה 1 מציגה את ההספק שנמדד עבור אות בדיקה CW, כפונקציה של תדר. היא משווה את ההספק שנמדד באמצעות קומבינציה של חיישן הספק והתקן מדידה עם תוצאה של מדידה שבוצעה באמצעות התקן נייד המצויד ביכולת מובנית של מדידת הספק. גם אם שימוש בהתקן נייד אינו מדויק כמו שימוש בחיישן הספק, הרי שיש יתרון עצום בנוחות המושגת באמצעות הפעלת מכשיר יחיד לצורך מדידת הספק בסביבות קשות ובתנאי בדיקה מאתגרים.

תחת מעטה הניידים
הדוגמאות שלעיל מבהירות כיצד לתאם בין נתוני המדידה ומלמדות, כי נתח ידני מודרני מסוגל לכל הדעות לבצע מדידות שמתאפיינות בקורלציה מעולה עם הנתונים שתועדו על-ידי מכשירי מעבדה. אחת הסיבות שמאפשרות זאת היא, כי המכשירים הניידים המודרניים משתמשים חלקית במדע המדידה שבהם עושים שימוש המקבילים המעבדתיים. לדוגמה, מכשירי מעבדה גבוהי ביצועים מסוימים, המשמשים למדידת RF ומיקרוגל, מסתמכים על מעגלי
Monolithic Microwave Integrated Circuits
(). תכנונים זהים של שבבי MMIC יכולים להשתלב במכשירים ניידים, לצורך הכללת פונקציות מרובות בערכות שבבים קומפקטיות וגבוהות ביצועים.
מעגלים משולבים אלה משפרים את הביצועים והאמינות של המכשיר הנייד, ובד בבד גם מפחיתים את צריכת ההספק הכוללת שלו. בנוסף, הם מאפשרים להגדיר את תצורתו של ההתקן הנייד כמכשירים שונים, כגון נתח ספקטרום, נתח רשת וקטורית, מד הספק או נתח כבלים ואנטנות ועוד.
בנוסף לחידושים טכנולוגיים אלה, המכשירים הניידים המודרניים כוללים כיום תכונות כגון התאמה אוטומטית וכיול מובנה, אשר מאפשרים להם לשמור על רמה גבוהה של דיוק מדידה לרוחב טווח התדרים המלא שלהם. יכולות מעין אלה מהוות את אחת מסיבות המפתח לכך, שההתקנים הניידים המודרניים מתאפיינים כעת ביכולות מדידה איכותיות במיוחד, שאינן פחותות מאלה המאפיינות את מכשירי המעבדה.

לסיכום
בעת שימוש במכשיר נייד לצורך בדיקות שטח, חיוני לוודא כי תוצאות המדידה שלו תואמות במידה רבה לאלה שמתועדות באמצעות מכשירי מעבדה. אחת הדרכים המאפשרת לטכנאים ולמהנדסים לוודא התאמה זו היא באמצעות קורלציה של תוצאות המדידה. דוגמאות הקורלציה המתוארות לעיל מלמדות כי המכשירים הניידים המודרניים מצוידים היטב ומסוגלים לבצע מדידות שטח, כמו גם להשתלב ביישומי מעבדה נפוצים.