Данная статья посвящена рассмотрению погрешностей, возникающих при измерении уровня мощности генераторов сигналов с помощью измерительного приемника R&S®FSMR3000. Даны рекомендации по минимизации основных погрешностей.
Для измерения уровня сигнала генераторов сигналов СВЧ в качестве калибратора уровня часто используются измерительные приемники, обладающие высокой линейностью в широком диапазоне. Одним из таких приемников является измерительный приемник R&S®FSMR3000 (далее – FSMR3000) [1]. Данный прибор представляет собой универсальную систему калибровки генераторов сигналов и аттенюаторов. Измерительный приемник FSMR3000 сочетает в себе калибратор уровня, анализатор модуляции и аудиосигналов, измеритель мощности и анализатор спектра и фазового шума. Благодаря высокой линейности и широкому диапазону частот (от 100 кГц до 8/26,5/50 ГГц в зависимости от модели прибора) он идеально подходит для решения измерительных задач в калибровочных и испытательных лабораториях.
Аналоговые модули, чувствительные к возникновению компрессии, такие как смесители и усилители тракта ПЧ, работают со значительным запасом линейности, чтобы исключить эффекты компрессии. Конструкция смесителей и усилителей, используемых в аналоговом тракте прибора, сочетает в себе высокую линейность с низким уровнем собственного шума. В результате, несмотря на широкий динамический диапазон прибора (от -152 дБмВт до +30 дБмВт на частоте 1 ГГц) [2], FSMR3000 обеспечивает хорошее отношение сигнал/шум (SNR) без компрессии, используя только три диапазона измерений. Модули и компоненты, подверженные дрейфу (ЖИГ-фильтр) или обладающие нелинейной характеристикой уровня (кварцевый фильтр), в режиме измерения уровня отключаются и не вносят искажений.
Источники погрешности измерения уровня сигнала генератора с помощью приемника FSMR3000
Несмотря на отличительные рабочие характеристики прибора FSMR3000, результат измерения уровня ВЧ-сигнала генератора зависит от множества различных влияющих факторов, являющихся источниками погрешностей. Чтобы оценить погрешность измерения, необходимо количественно определить все источники погрешностей и соответствующим образом учесть их совместное влияние для получения результирующей погрешности.
Наибольшую точность измерения абсолютной мощности выходного сигнала генератора можно получить при использовании датчика поглощаемой мощности, принцип действия которого основан на термоэлектрическом эффекте. Такие датчики принято называть термодатчиками. Примером термодатчиков является серия датчиков R&S®NRPxxT (далее – NRPxxT), где xx обозначается верхняя граничная частота рабочего диапазона частот термодатчика. Решающими факторами здесь выступают технические характеристики датчика мощности [3] и рассогласование (КСВН) между источником (испытуемым генератором) и датчиком. Термодатчики имеют очень малые КСВН по сравнению с измерительными приемниками, что позволяет достичь минимальных погрешностей измерения [4].
По сравнению с другими датчиками мощности термодатчики обладают высокой точностью измерения, но имеют ограниченную чувствительность. Для датчика NRPxxT она составляет -35 дБмВт. Таким образом, с помощью датчика мощности NRPxxT, подключенного к испытуемому генератору, и измерительного приемника FSMR3000, можно выполнить измерение уровня сигнала генератора выше -35 дБмВт. Измерение уровня во всем диапазоне возможно с помощью измерительной функции приемника. В данном случае перед измерением проводится калибровка прибора. Процедура калибровки включает в себя два этапа: измерение уровня сигнала генератора с помощью датчика мощности и калибровка прибора с подключенным к ВЧ-входу приемника генератором сигналов.
При этом требуется механическое переподключение измерительных приборов (см. рисунок 1). После выполнения процедуры калибровки возможно измерение уровня сигнала генератора в пределах динамического диапазона приемника FSMR3000 [5].
![Рис. 1. Функциональная схема установка для измерения уровня сигнала генератора с помощью измерительного приемника FSMR3000 и датчика мощности NRPxxT Рис. 1. Функциональная схема установка для измерения уровня сигнала генератора с помощью измерительного приемника FSMR3000 и датчика мощности NRPxxT](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/75b/954/af9/75b954af9f25f96fa6e96c564e86b472.png)
Благодаря высокой линейности приемника FSMR3000 данный подход позволяет измерять уровень сигнала генератора в широком диапазоне с высокой абсолютной точностью.
При измерении уровня ВЧ-сигнала генератора с помощью измерительного приемника FSMR3000 и датчика мощности необходимо учитывать следующие источники погрешности:
погрешность измерения абсолютной мощности датчиком мощности;
погрешность нелинейности измерительного приемника;
погрешность от диапазона к диапазону приемника;
погрешность из-за рассогласования выхода генератора, кабельного соединения и ВЧ-входа измерительного приемника;
случайная погрешность измерения.
Погрешность измерения абсолютной мощности датчиком мощности складывается из следующих составляющих:
погрешность калибровки;
погрешность нелинейности;
погрешность, вызванная отклонением температуры окружающего воздуха от нормальных условий применения;
погрешности установки и дрейфа нуля;
шума отображения;
погрешность из-за рассогласования между испытуемым генератором и датчиком мощности.
При измерении абсолютной мощности датчиком мощности погрешности шума отображения, установки и дрейфа нуля незначительны при измерении высоких уровней мощности, в то время как погрешность рассогласования во многих случаях оказывается весьма существенной.
Для расчета этой погрешности используется следующая формула:
где Δ арассоглас - стандартная погрешность рассогласования,SGen – КСВН генератора, SSens – КСВН датчика мощности.
Коэффициент отражения датчиков мощности, как правило, гораздо ниже, чем у генератора сигналов. Однако, в расчете погрешности из-за рассогласования участвует произведение коэффициентов отражения генератора сигналов и датчика мощности. В связи с этим погрешность из-за рассогласования между генератором и датчиком мощности может вносить значительный вклад в общую погрешность измерения.
При измерениях уровня сигнала генераторов СВЧ во всем диапазоне значений, который у лучших приборов составляет от -130 дБмВт до +30 дБмВт, в измерительном приемнике требуется переключение встроенного ВЧ-аттенюатора. Возможная погрешность измерения уровня, возникающая в результате такого переключения, (погрешность от диапазона к диапазону приемника) устраняется за счет калибровки соседнего диапазона. При постоянном уровне сигнала результат измерения после переключения диапазонов корректируется под результат измерения до переключения. Графическая иллюстрация представления диапазонов уровней мощности приемника FSMR3000 показана на рисунке 2.
![Рис. 2. Графическое представление диапазонов уровней мощности прибора FSMR3000 Рис. 2. Графическое представление диапазонов уровней мощности прибора FSMR3000](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/993/08b/481/99308b481d302f7386dd75277a3a8859.png)
Погрешность нелинейности и погрешность от диапазона к диапазону измерительного приемника незначительны по сравнению с другими погрешностями измерения.
Погрешность измерения из-за низкого отношения сигнал/шум (SNR) (случайная погрешность измерения) имеет ключевое значение при низких уровнях сигнала. В FSMR3000 используется следующая формула для расчета стандартной погрешности на основе измеренного отношения сигнал/шум SNR и количества усреднений n:
Отношение сигнал/шум зависит от эффективной шумовой полосы детектирования, которая ограничивает нижний предел измерения уровня сигнала генератора. Эффективная шумовая полоса в приборе определяется используемой оконной функцией быстрого преобразования Фурье и временем измерения. В FSMR3000 используется окно с плоской вершиной для достижения максимальной точности измерений. Эффективная шумовая полоса в свою очередь обратно пропорциональна времени измерений.
Уменьшить случайную погрешность измерения из-за низкого отношения сигнал/шум можно, установив в приборе более длительное время измерения и/или более высокий коэффициент усреднения, что в свою очередь увеличивает время измерения. Уменьшить случайную погрешность можно также, увеличив отношение сигнал/шум, используя встроенный предварительный усилитель, входящий в опциональный состав прибора FSMR3000.
Заметный вклад в общую погрешность измерения уровня генератора вносит погрешность из-за рассогласования источника, кабельного соединения и ВЧ-входа измерительного приемника при изменении КСВН источника. КСВН генератора изменяется при снижении мощности генератора вследствие переключения ступенчатого аттенюатора на выходе генератора. В этом случае возникает погрешность, зависящая от КСВН FSMR3000 и генератора. Различные методы измерения КСВН генераторов сигналов рассмотрены в [6]. Поскольку при измерении уровня мощности генератора с помощью FSMR3000 обычно изменяется настройка его входного аттенюатора и, следовательно, КСВН, эти дополнительные изменения КСВН приводят к увеличению погрешности измерения, связанной с рассогласованием источника сигнала и измерительного приемника.
Чтобы уменьшить эту погрешность рекомендуется использовать внешний прецизионный аттенюатор с ослаблением 10 дБ, либо модуль датчика мощности R&S®NRP-Z27 или R&S®NRP-Z37 (далее – NRP-Z27/Z37). Аттенюатор следует подсоединять непосредственно к испытуемому генератору. При использовании высококачественного измерительного кабеля с КСВН менее 1,2 его можно не учитывать при расчетах, поскольку доминирующим фактором будет КСВН FSMR3000.
Отличительной особенностью датчика мощности NRP-Z27/Z37 является его низкий постоянный КСВН, который слабо зависит от диапазона измерения FSMR3000 из-за хорошей развязки модуля. Тем самым уменьшаются погрешности, которые обычно возникают при изменении импеданса нагрузки (КСВН датчика и FSMR3000 при переключении входного аттенюатора). Однако при этом вносимые потери модуля датчика мощности NRP-Z27/Z37 снижают входную чувствительность измерительного приемника, что накладывает определенное ограничение на их применение для измерения низких уровней сигнала генератора.
![Рис. 3. Установка для измерения уровня сигнала генератора с помощью FSMR3000 и модуля датчика мощности NRP-Z27/37 Рис. 3. Установка для измерения уровня сигнала генератора с помощью FSMR3000 и модуля датчика мощности NRP-Z27/37](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/8e3/d27/624/8e3d276247f19cd0fe33543bf0a9069b.png)
Модуль датчика мощности NRP-Z27/37 позволяет сочетать преимущества термоэлектрических датчиков мощности с надежностью и воспроизводимостью прецизионного делителя мощности. Низкий постоянный КСВН и хорошая развязка входа FSMR3000 значительно снижают погрешности измерения, возникающие из-за КСВН испытуемого генератора. Данная конфигурация также устраняет необходимость механического переподключения датчика мощности и измерительного кабеля.
Анализ вклада источников погрешности в общую погрешность измерения уровня сигнала генератора с помощью измерительного приемника FSMR3000
В таблице 1 приведены результаты расчета погрешности измерения уровня мощности сигнала генератора прибором FSMR3008 с датчиком мощности NRP18T без аттенюатора и с подключенным аттенюатором, а также с датчиком мощности NRP-Z27 при нормальных условиях эксплуатации. Погрешности установки и дрейфа нуля, шум отображения датчика мощности и погрешность от диапазона к диапазону приемника пренебрежимо малы и не учитывались в расчете. Расчет проводился на основе технических данных приборов, приведенных в [2,3,7], для генератора с КСВН, равным 1,5. Использовалось значение КСВН аттенюатора, равное 1,1.
Табл. 1
Наименование погрешности | Значения погрешности, дБ | ||
NRP18T без аттенюатора | NRP18T с аттенюатором | NRP-Z27 | |
Погрешности измерения абсолютной мощности 0 дБмВт датчиком мощности на частоте 1 ГГц: - погрешности калибровки и нелинейности - погрешность из-за рассогласования между испытуемым генератором и датчиком мощности |
0,027
0,036 |
0,027
0,036 |
0,036
0,102 |
Погрешности измерения уровня -110 дБмВт измерительным приемником FSMR3000 с включенным предусилителем при времени измерения 400 мс и количестве усреднений 64: - погрешность нелинейности измерительного приемника - погрешность из-за рассогласования выхода генератора, кабельного соединения и ВЧ-входа измерительного приемника - случайная погрешность измерения |
0,033
0,457 0,011 |
0,033
0,100 0,037 |
0,033
0,013 0,051 |
Общая погрешность при доверительной вероятности 0,95 | 0,921 | 0,241 | 0,249 |
Из результатов расчета следует, что основной вклад в общую погрешность измерения уровня сигнала генератора вносит погрешность рассогласования. Использование внешнего прецизионного аттенюатора позволяет уменьшить погрешность из-за рассогласования выхода генератора и ВЧ-входа измерительного приемника. В связи с тем, что аттенюатор вносит потери в измерительный тракт, отношение сигнал/шум ухудшается, что приводит к незначительному увеличению случайной погрешности измерения. Тем не менее, использование внешнего аттенюатора позволяет получить значительно меньшую общую погрешность измерения уровня сигнала генератора измерительным приемником FSMR3000. В приведенном примере она составляет 0,24 дБ.
При использовании модуля датчика мощности NRP-Z27/Z37 прибор FSMR3000 обеспечивает такую же низкую погрешность измерения, что и с датчиком мощности NRPxxT и прецизионным аттенюатором. Особым преимуществом данной конфигурации является то, что измерения могут быть автоматизированы, поскольку устраняется трудоемкий процесс подключения и отключения измерительных кабелей, приводящий к износу ВЧ-разъемов оборудования.
Литература
R&S®FSMR3000 Measuring Receiver // Product Brochure, PD 3608.5741.12, Version 02.00, October 2021/
R&S®FSMR3000 Measuring Receiver // Specifications, PD 3608.5741.22, Version 01.01, October 2021.
R&S®NRP Power Meter Family // Specifications, PD 3607.0852.22, Version 11.00, July 2021.
Minihold R. RF Level Measurement Uncertainties with the Measuring Receiver R&S(R) FSMR // Application Note 1MA92, 03.2006.
Signal Source Level Calibration using the FSMR3000 // Application Note 1SL377, Version 0e, 11.2021.
Пивак А., Репин А. Измерение КСВН генераторов сигналов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2021. № 1. С. 86–89.