מערך זול למדידות רפלקטומטריה סקלאריות

הפסד ההעברה והפסד ההחזרה הם פרמטרים יסודיים של כל רכיב RF, כבל ותת-מערכת. במקרים רבים יש לבצע מדידות של פרמטרי ה-S בשטח כדי לבדוק את תכונות ההחזרה של רכיבים או חיבורים, כדי לאבחן תקלות וכן למטרות אחרות. על פי רוב, המדידות הללו מבוצעות באמצעות אחד משלושה סוגים של ציוד בדיקות RF תקני: מכשירי  (Vector Network Analyzer), מכשירי SNA (או רפלקטומטרים. קטגוריית ציוד זו התפתחה משמעותית מאז המכשירים בהם נעשה שימוש בעומס החלקה (Sliding load) ועד מכשירי הניתוח המתוחכמים ועתירי הפונקציות הכוללים תוכנת בדיקה מתקדמת אשר, במשולב, עשויים לעלות יותר מ-200,000 דולר ארה”ב ליחידה. בינתיים, לצורך אפיון פרמטרים של העברה והחזרה, כל סוגי הציוד הללו עדיין מבצעים אותה מדידה בסיסית.

אבני הבניין השכיחות של מערך מדידות רפלקטומטריה בתוך כל VNA או SNA הן מקור אות, מד הספק ומצמד כיווני המתאפיין ברמת כיווניות גבוהה. בכל מצב בו הגישה לציוד ניתוח רשת מוגבלת או בלתי-זמינה, כל אדם יכול להרכיב בעצמו מערכת מדידה סקלארית באמצעות רכיבים ופריטי ציוד מסחריים הזמינים “מן המדף”. מאמר זה מתאר מערך מדידה כזה בדיוק המבוסס על מוצרים זולים מתוצרת חברת Mini-Circuits ומספק רמת דיוק טובה ביחס לרמת הדיוק של מכשיר Network Analyzer מתוצרת יצרנים מובילים, וזאת בהסתמך על השוואה של שני המערכים זה לצד זה.

בניית המערך

כדי לבנות מערך בו ניתן יהיה להשתמש למדידת הפסדי ההחזרה (S11 ו-S22) של התקן הכולל 2 כניסות, אבני הבניין העיקריות הדרושות הן מחולל אותות מסונתז (SSG), מד הספק ומצמד כיווני בעל רמת כיווניות גבוהה. מחוללי אותות ומדי-הספק קיימים וזמינים ברוב המעבדות. חברת Mini-Circuits מציעה סדרה של מחוללי אותות (סדרת SSG) ומדי הספק (סדרת PWR) זולים עם בקרת USB ו-Ethernet. שני הפריטים מסופקים כשהם כוללים תוכנת בקרה ומדידה ידידותית למשתמש לניהול המערך דרך USB או Ethernet, באמצעות רוב המחשבים האישיים המופעלים על-ידי תוכנת ההפעלה Windows.

הכיווניות של המצמד הכיווני הוא הגורם הקובע הקריטי בכל הקשור לדיוק המדידה מכיוון ששגיאת המדידה תלויה בהפרדה בין האות הרצוי לאות הזליגה דרך המצמד הכיווני. ככל שרמת הכיווניות גבוהה יותר, כך אות הזליגה יהיה חלש יותר והמדידה תהיה קרובה יותר לרמה הרצויה. התרשים הסכמטי של מערך המדידה בציור 1 (ראה עמוד הבא)מדגים כיצד הן האות המוחזר והן אות הזליגה משפיעים על האות הנמדד.

ההפרש בין הבידוד למקדם הצימוד של המצמד הכיווני היא הכיווניות של ההתקן הכיווני. שגיאת המדידה היא ההפרש בין VM ל-VA והיא משתנה ביחס למופע (פאזה) של שני האותות כמתואר בציור 2 (ראה עמוד הבא). השגיאה תגיע לשיאה ב-VM2, שם האותות נמצאים בדיוק באותה פאזה וב-VM1, שם הם בהפרש פאזה של º.

שגיאת המדידה (|VA| – |VM|) היא פונקציה של הכיווניות של המצמד הכיווני והעוצמה של האות המוחזר, VA; כללית, ככל שהחזר מן ה-DUT (העומס) נמוך (טוב) יותר, כך שגיאת המדידה תהיה גדולה יותר.

במדידות הפסד החזרה סקלאריות, ככלל, כדי להשיג רמת אי-ודאות במדידה של ±1dB או טובה יותר, הכיווניות של המצמד אמורה להיות גבוהה ב-19dB או יותר מהפסד ההחזרה הנמדד של ה-DUT (עומס). הכיווניות הרצויה של המצמד הכיווני במערך המדידה תהיה תלויה, לפיכך, בהפסד ההחזרה של ה-DUT הנתון ובערך הסיבולת שהגדיר המשתמש לגבי השגיאה במסגרת יישום נתון.

חברת Mini-Circuits פיתחה לאחרונה את המצמד הכיווני, רחב הפס ובעל הכיווניות הגבוהה מדגם ZHDC-10-63+ המיועד לפעולה בתחום התדרים שבין 50 ל-6000 מגהרץ. מצמד זה בעל כיווניות טיפוסית של 33dB על פני כל תחום התדרים בו הוא מיועד לפעול ומגיע עד רמת כיווניות של 40dB בתדרים מסוימים, והוא מועמד מתאים לשימוש במערכים למדידת הפסדי החזרה עבור רכיבי RF רבים.

השוואת רמת דיוק במערך SNA לעומת מערך עם מצמד כיווני

נבנה מערך מדידה במסגרתו נעשה שימוש במחולל אותות מסדרה SSG, מד מתח מסדרה PWR ומצמד בעל כיווניות גבוהה מדגם ZHDC-10-63+, כולם של חברת

Mini-Circuits, כמתואר בציורים 3א ו-3ב.

• ציור 3א מתאר שלב של כיול המערך (לקיחת ייחוס לצורך המדידה). במצב זה, יש להשאיר את הדק הכניסה של המצמד הכיווני במצב פתוח, ולמדוד את ההספק המוחזר למד ההספק.

• ציור 3ב מראה את חיבור ה-DUT למצמד. בשלב זה, יש לחזור ולקרוא את ההספק המוחזר למד ההספק; ההפרש המתקבל בין הקריאות של ציור 3א ו-3ב מבטא את הפסדי ההחזרה של ה-DUT.

נבחרו התקנים שונים לבדיקה (DUTs), והפסדי ההחזרה שלהם נמדדו על-ידי סריקה על פני תחומי התדרים בתחום שבין 50 ל-6000 מגהרץ (בהתאם לתחום התדרים של המצמד). אותה מדידה בוצעה פעם נוספת באמצעות מכשיר Scalar Network Analyzer מתוצרת יצרן מוביל כבסיס להשוואה. נתונים נבחרים משתי גישות המדידה מוצגים בציורים 4א ו-4ב.

ציור 4א מציג את ההשוואה בין המדידות שבוצעו כשההתקן הנבדק (DUT) הוא

מסנן High Pass מדגם SHP-600+ של

חברת Mini-Circuits. ציור 4ב מציג את ההשוואה בין המדידות שבוצעו כשההתקן הנבדק (DUT) הוא מפצל/מסכם הספק

מדגם ZN4PD1-63W-S של חברת

Mini-Circuits.

סיכום

התוצאות של השוואה זו מראות שמערך המדידה הפשוט במסגרתו נעשה שימוש במצמד בעל הכיווניות הגבוהה מדגם ZHDC-10-63+ מספק רמת דיוק מדידה טובה בתחום התדרים שבין 50 ל-6000 מגהרץ עבור התקנים (DUTs) שהפסד ההחזרה שלהם נמצא בתחום של עד 20dB. בעזרת גישה פשוטה זו, המשתמש יכול לפתח מערך אמין ברמת דיוק טובה לביצוע מדידות רפלקטומטריה סקלאריות בעלות של פחות מ-3000 דולר ללא כל צורך בהשקעה משמעותית בציוד בדיקה ומדידה מתקדם.

במקרה של רכיבים פסיביים בעלי שתי כניסות (כגון קווי תמסורת), ניתן להשתמש באותו מערך גם כדי למדוד ולהעריך את הפסד ההעברה של ההתקן הנבדק. אם הרכיב תקין (כלומר לא ניזוק ולא פגום), ניתן למדוד את הפסד ההעברה על-ידי ניתוק הקצה האחר של ההתקן הנבדק כך שהאות הנכנס יוחזר “במלואו”, וחישוב מחצית ערך הפסד ההחזרה הנמדד.

גישה אלטרנטיבית וזולה זו יכולה להוסיף ערך ותועלת משמעותיים לסביבות בהן נדרשות מדידות סקלאריות של פרמטרי ה-S, במצב בו הגישה לציוד נתחי רשת מוגבלת או שציוד כזה אינו זמין כלל. ניתן להשתמש בגישה זו ביישומים ברצפת הייצור כדי לשפר את התפוקה תוך הפחתה דרמטית בהיקף ההון המושקע בציוד הבדיקה.