Продукция

Пресс-центр

Опубликована статья в журнале "Современая Электроника" №7, 2014
15.08.2014 11:03

Измерение сверхширокополосных многопортовых устройств

В статье рассмотрены проблемы измерения многопортовых сверхширокополосных устройств и технические решения, предлагаемые различными производителями, а также преимущества и недостатки существующего оборудования. Подробно описан программно-аппаратный комплекс многопортовых измерений К2М-102. Приведены основные технические характеристики, схемы подключения и примеры интерфейсов программного обеспечения.
Проблемы, возникающие при измерении многопортовых устройств

Коммутационные матрицы, многопортовые делители, сплиттеры и сумматоры всё шире используются в радиотехнических системах. Помимо увеличения числа портов или каналов, наблюдается тенденция расширения диапазона рабочих частот вверх. Это существенно усложняет тестирование таких устройств.
Например, измерение S–параметров 20-портовой коммутационной матрицы с помощью 2-портового векторного анализатора цепей может занимать несколько часов. При этом вероятность ошибки возрастает пропорционально количеству портов измеряемого устройства, т.к. для каждого состояния необходимо коммутировать измерительную систему вручную. Кроме того, происходит значительный износ дорогостоящих фазостабильных кабельных сборок, переходов и других вспомогательных устройств. Поскольку для этих устройств производитель гарантирует стабильность параметров только на определённое количество сочленений (например, 5000 сочленений на коаксиальный тракт 3,5 мм), то в серийном производстве резко увеличиваются затраты на амортизацию.
Для автоматизации подобных измерений различные производители предлагают как дополнительное оборудование для существующих измерительных приборов, так и автономные автоматизированные комплексы. Ниже представлен краткий обзор популярных решений для измерения многопортовых устройств. Подробно описан программно-аппаратный комплекс К2М-102, производимый НПФ «Микран».

Обзор оборудования для многопортовых измерений

Как правило, производители измерительной техники предлагают дополнительные устройства к серийным приборам, либо создают комплексы на их основе. Чаще всего используются базовый 2-портовый векторный анализатор цепей и набор коммутаторов (расширителей) на необходимое число портов. Подобные коммутаторы можно использовать с 4-портовыми анализаторами цепей, но стоимость таких комплексов резко возрастает.
Компания Agilent предлагает использовать однополюсные USB-коммутаторы на два направления U1810B, работающие в диапазоне частот 0…18 ГГц. Данный коммутатор поддерживает стандартную функцию Plug&Play (при подключении к приборам фирмы Agilent), что сокращает время настройки сложных измерительных схем [1]. Внешний вид коммутатора показан на рисунке 1, его характеристики приведены в таблице 1.

 
Рис. 1. USB-коммутатор Agilent U1810B

Таблица 1. Характеристики коммутатора Agilent U1810B
Параметр    Значение
Диапазон частот, ГГц 0…18
КСВН, не более 1,4
Вносимые потери, дБ, не более 0,3
Развязка, дБ, не менее 90

Производитель предлагает конфигурировать систему на необходимое количество портов самостоятельно, путём увеличения числа коммутаторов U1810B. Для управления данным коммутатором используется полнофункциональная передняя программная панель (SFP), позволяющая программировать нужные последовательности переключений и задавать задержку перед каждой последовательностью [1].
Панель поддерживает несколько коммутаторов, обеспечивая измерение многопортового устройства по заданному алгоритму. К недостаткам системы, построенной на этих коммутаторах, можно отнести:
  • необходимость вручную конфигурировать систему под каждый вид измерений,
  • сложность калибровки;
  • отсутствие автоматизации измерений.
Помимо решения на основе дополнительного USB-коммутатора, компания Agilent предлагает полноценные комплексы для многопортовых измерений, например, U3025AE10 (см. рис. 2), сконфигурированный с прибором E8364C (двухпортовый векторный анализатор цепей). Данный комплекс поддерживает полноценные измерения 12-портовых устройств, с возможностью перекрёстных измерений. При наличии дополнительного устройства 551, возможна полная многопортовая калибровка с использованием нескольких электронных калибраторов или механических калибровочных наборов [3]. Также компания Agilent поставляет расширители на 4, 6, 12, 16, 20 и 22 порта.

 
Рис. 2. Измерительный комплекс Agilent U3025AE10

Компания Rohde&Schwarz предлагает измерительные комплексы c аналогичными возможностями и в различных конфигурациях на основе расширителей портов ZV-Z81 и ZV-Z82 (см. рис. 3). Данные расширители могут сопрягаться с 2- и 4-портовыми приборами, обеспечивая расширение до 5, 9, 10 портов [4]. Для калибровки подобных комплексов, как правило, используется электронные калибраторы, реализующие тип калибровки SOLT (от англ. Short – короткозамкнутая нагрузка, Open – нагрузка холостого хода, Load – согласованная нагрузка и Thru – перемычка между портами) либо вариации этой калибровки. Основным недостатком этих комплексов является отсутствие многопортовых электронных калибраторов, обеспечивающих полную калибровку всех портов за одно присоединение. Максимальное число портов электронного калибратора Rohde&Schwarz ZV-Z58 составляет 8, у Agilent N4433A – 4. Поэтому процесс калибровки занимает длительное время.
 
Рис. 3. Измерительный комплекс Rohde&Schwarz на основе расширителя портов ZV – Z81

Компания ATE Systems предлагает 4-портовый расширитель (см. рис. 4) для приборов сторонних производителей, работающий в диапазоне от 10 МГц до 20 ГГц. Основным отличием данного комплекса от представленных выше является функция «автокалибровки» (комплекс калибруется только с применением этой методики).
Смысл данной функции следующий. При сборке комплекса необходимо один раз откалибровать векторный анализатор по портам, а рассогласование и потери в измерительном тракте, возникающие при последующих измерениях с помощью расширителя портов, будут компенсироваться специальными устройствами - контроллерами, установленными на выходе кабельных сборок по измерительной плоскости. По заявлению производителя данного комплекса, точность восстановления такой калибровки сравнима с точностью калибровки на меры TRL (от англ. Thru – перемычка между портами, Reflect – мера отражения, Line – линия передачи между портами) [5].
Следует отметить, что компания Agilent так же предлагает к использованию подобную методику, реализуемую с помощью устройства CalPod. Особенностью данного расширителя портов является возможность гибкой программной конфигурации с помощью языков C, C++, LabVIEW, CVI, или Virtual Basic [5].

 
Рис. 4. Измерительный комплекс на основе расширителя портов от ATE Systems

Программно-аппартный комплекс К2М-102
Комплекс К2М-102, производимый НПФ «Микран», позволяет измерять до 32 портов за одно присоединение. Основой комплекса является серийно производимый прибор Р4М-18 – 2-портовый векторный анализатор цепей, основные характеристики которого (без дополнительного оборудования) приведены в таблице 2.
Таблица 2. Технические характеристики Р4М-18
Характеристика    Значение
Диапазон рабочих частот    От 10 МГц до 20 ГГц
Пределы допустимой относительной погрешности установки частоты при работе от внутреннего опорного генератора в течение одного года    ±2×10-6
Диапазон установки уровня выходной мощности, дБм   -20…0
Погрешность установки уровня выходной мощности, дБ   ±2
Диапазон измерений модуля коэффициента отражения (КО)    0…1
Диапазон измерений модуля коэффициента передачи (КП) в диапазоне частот от 125 до 20000 МГц, дБ    -90…20
Уровень собственного шума приёмников при полосе фильтра ПЧ 10 Гц в диапазоне частот от 125 до 20000 МГц, дБм, не более    -100
Типы соединителей мер и переходов из набора калибровочных мер   III, N, IX вар. 3, 3,5 мм и NMD 3,5

В состав комплекса входят:
  • две коммутационные матрицы, каждая из которых может обеспечить коммутацию одного порта в 16 (ПЕМ3-20-1-16-13Р-13Р);
  • блок управления (ПЕМ3-БУП);
  • 2 электронных калибратора (один в тракте 3,5 мм, второй - в тракте SMP);
  • устройство управления и отображения информации с предустановленным программным обеспечением;
  • все необходимые принадлежности (фазостабильные кабельные сборки, Ethernet и тд.)
 
Рис. 5. Структурная схема комплекса К2М-102
 
На рисунке 5 приведена схема подключения комплекса. Красными линиями показаны СВЧ-соединения, синими – линии управления, коричневым цветом – кабель Ethernet.
Важной частью комплекса являются коммутационные матрицы ПЕМ3-20-1-16-13Р-13Р (на рисунке 5 отмеченные как X и Y), собранные на основе электромеханических ключей SP4T (см. рис. 6). Каждая коммутационная матрица состоит из 5 ключей. На вход центрального ключа подключается измерительный порт векторного анализатора цепей, а выходы этого ключа соединяются со входами оставшихся 4 переключателей. Таким образом, получается коммутационная матрица 1 в 16, и измерительная плоскость переносится на оставшиеся свободными выходы переключателей. Соответсвенно, первый порт измерительного прибора подключается к матрице X, а второй – к матрице Y.

 
Рис. 6. Внешний вид электромеханических ключей SP4T

Характеристики коммутационной матрицы ПЕМ3-20-1-16-13Р-13Р представлены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики коммутационной матрицы ПЕМ3-20-1-16-13Р-13Р
Характеристика    Значение
Тип переключения   SP16T
Диапазон рабочих частот, ГГц   0…20
Потери на проход, в худшей точке (20 ГГц), дБ, не более   0,8
Изоляция, дБ, не менее   140
КСВН, не более   1,2
Время переключения, мс, не более   15

Измерение многопортового устройства производится путем автоматизированных последовательных измерений каждого порта, т.е. анализатор цепей выполняет измерение при каждом новом состоянии коммутационной матрицы. Данные, полученные при каждом измерении, сохраняются и соответствующим образом индексируются.
Для калибровки этого комплекса специально был разработан 16-портовый электронный калибратор (ЭК), существующий в двух вариантах, - для коаксиальных трактов 3,5 мм (см. рис. 7) и SMP. Данное устройство позволяет калибровать все измерительные порты комплекса за одно присоединение. Применяется разновидность калибровки SOLT, а вместо адаптера на проход с известной задержкой используется мера «неизвестное устройство». Каждый ЭК верифицируется эталоном более высокого уровня, и, фактически, точность эталона переносится на электронное устройство с помощью математического описания.

 
Рис. 7. Внешний вид 16-канального электронного калибратора в тракте 3,5 мм

Благодаря использованию модифицированной калибровки SOLT комплекс может быть калиброван для проведения измерения «любой порт из 16(X) в любой другой порт из 16(Y)». Полная многопортовая калибровка занимает не более 20 минут. При использовании двухпортового калибратора данная калибровка занимает несколько часов, а при использовании механических наборов – несколько десятков часов. ЭК калибрует комплекс в диапазоне частот от 100 МГц до 20 ГГц, при этом сохраняется заявленная производителем Р4М-18 точность измерения.
Блок ПЕМ3-БУП осуществляет синхронизацию и управление всеми компонентами комплекса. Этот блок, как и векторный анализатор цепей Р4М-18, являются сетевыми устройствами и, соответственно, имеют свои адреса MAC и IP. Управление коммутационными матрицами и калибратором осуществляется через специальные интерфейсы, а взаимодействие измерительного прибора с устройством управления и отображения (персональным компьютером) происходит по локальной сети. Блок ПЕМ3-БУП имеет параллельный интерфейс, который позволяет управлять измеряемыми коммутационными матрицами. На этот интерфейс, при необходимости, могут дублироваться коды управления электронным калибратором и коммутационными матрицами ПЕМ3-20-1-16-13Р-13Р.

 
Рис. 8. Внешний вид комплекса К2М-102, скоммутированный для калибровки

Управление комплексом, отображение информации и обработка полученных результатов осуществляется с помощью специального прогрммного обеспечения (ПО) К2М-102. Внешний вид комплекса К2М-102 показан на рисунке 8.

Программное обеспечение комплекса К2М-102

Программное обеспечение К2М-102 представляет собой внешнее приложение для управления комплексом и проведения измерений с помощью сертифицированного ПО Graphit. В меню предусмотрены три режима работы: "Ручное управление", "Измерение в автоматическом режиме", "Анализ результатов измерения" (см. рис. 9).

 
Рис. 9. Меню выбора режима работы ПО

Режим ручного управления (см. рис. 10) обеспечивает независимое управление каждым портом и исследуемым устройством, что позволяет выполнять требующийся пользователю анализ состояния. Ручной режим идеально подходит для динамической настройки исследуемого устройства (S-параметры, изоляция).
 
 
Рис. 10. Окно работы для ручного режима

Автоматический режим (см. рис. 11) предназначен для измерения устройства по определенному сценарию и для калибровки комплекса. В этом режиме задаются все необходимые условия измерения, а так же типы измерений (на проход / изоляция). Создание и сохранение различных профилей настройки позволяет быстро переключаться между устройствами.
 
 
Рис. 11. Окно работы автоматического режима

В режиме анализа результатов измерений (см. рис. 12) формируется матрица результатов. Каждый элемент этой матрицы содержит полные S-параметры испытуемого состояния, которые доступны для дальнейшего анализа.
 
 
Рис. 12. Окно анализа результатов измерений

При постановке комплекса на производство существует возможность автоматической отбраковки состояний путем формирования граничных условий для каждого типа измерений (см. рис 13). Гибкая система формирования отчетов позволяет выводить результаты измерений в удобном для пользователя формате, что упрощает производственный процесс.
 
 
Рис. 13. Окно установки граничных условий для отбраковки измеряемых устройств

Тестовые измерения
В качестве эксперимента был измерен коаксиальный аттенюатор (тракт 3,5 мм) с ослаблением 30 дБ на приборе PNA E8364B (Agilent), калиброванном на механический набор мер TRL.
Фактически, была достигнута максимальная точность измерения в данном тракте выбранным прибором. Затем этот же аттенюатор был измерен с помощью комплекса К2М-102, калиброванного 16-портовым ЭК. Результаты измерений возвратных потерь (S11) представлены на рисунке 14. Коричневая трасса – измерение на E8364B, синяя – К2М-102. Результаты измерения потерь на проход (S21) представлены на рисунке 15, где серая трасса – измерение на E8364B, сиреневая – на К2М-102.
 
 
Рис. 14. Графики возвратных потерь коаксиального аттенюатора с ослаблением 30 дБ (тракт 3,5 мм)

 
Рис. 15. Графики амплитудно-частотной характеристики коаксиального аттенюатора с ослаблением 30дБ (тракт 3,5 мм)

Как видно из графиков, комплекс К2М-102 дает ошибку измерений. Это связано с тем, что измерительный тракт удлиняется, ухудшается эффективная направленность тракта, поскольку из-за рассогласования снижается точность калибровки. Но при создании данного комплекса не стояла задача реализовать систему метрологического класса. Данный комплекс обеспечивает измерение многопортовых устройств различной конфигурации с максимальной экономией временных и материальных ресурсов. При этом его точность является достаточной для настройки и контроля параметров при разработке и производстве СВЧ-устройств.

Заключение

Каждый из описанных в статье измерительных комплексов решает свои задачи. Соответственно, пользователь или разработчик сложных многопортовых устройств должен оценивать возможности конкретного комплекса и уметь, при необходимости, правильно его конфигурировать.
Следует отметить, что многопортовые комплексы, построенные на основе измерителя с ограниченным количеством портов, почти всегда имеют худшие характеристики, чем характеристики самого измерителя, что связано с ухудшением эффективных параметров измерительной системы.
Безусловно, можно создать многопортовый измерительный комплекс метрологического уровня, который будет измерять устройства с той же точностью, что и комплексы с небольшим количеством портов. Для этого необходимо не только перенести измерительную плоскость, условно говоря, за порты прибора, но и вынести часть измерительного тракта за пределы прибора, - как можно ближе к измеряемому многопортовому устройству. Стоимость же таких комплексов в большинстве случаев будет неоправданно высокой.

Список литературы
[1] Кай-Ньян Чеа. Коаксиальный коммутатор с USB-интерфейсом для коммутации вч-и свч- сигналов. Электронные компоненты. № 4. 2013. С.52.
[2] Agilent U1810B USB Coaxial Switch SPDT, DC to 18 GHz. Technical Overview.
[3] Agilent Technologies U3025AE10. User Guide.
[4] http://www.rohde-schwarz.com/en/product/switchmatrix-options_63490-41857.html.
[5] http://mwrf.com/test-amp-measurement-analyzers/speeding-multiport-vna-calibrations.

 

 

о компании

 
 
Логотип действителен с 2012 года:

продукция

Телекоммуникационное оборудованиеКомплексные решения для систем связи и безопасностиКонтрольно-измерительная аппаратура СВЧ Аксессуары СВЧ-тракта СВЧ-электроника Радиолокационное оборудование Оборудование систем
обеспечения безопасности
Монолитные интегральные схемы

услуги

 

новости и события

Новости Новое на сайте Календарь событий

информация

Пресса Научные публикации Интеллектуальная собственностьПартнерыСертификатыПострой IT-карьеру в "Микране"Специальная оценка условий труда

инструменты

Построение профиля радиолинии Поиск РРО в ремонте Помощник по подбору СВЧ соединителей