27-12-2018

Думы о шуме

Михаил Бежко, специалист по анализу цепей и компонентов

Измерения коэффициента шума часто являются существенной частью определения параметров устройства на этапе НИОКР и контроля производства. Не всегда бывает просто получить точные результаты измерения коэффициента шума на пластине: итог зависит от методики измерения и конфигурации измерительного оборудования.

В большинстве случаев для определения коэффициента шума используется два метода: метод Y-фактора и метод холодного источника. Метод Y-фактора, или метод горячего/холодного источника, наиболее часто реализуется в анализаторах коэффициента шума и технических решениях на базе анализаторов спектра. Метод холодного источника обычно выполняется с помощью векторных анализаторов цепей, которые обеспечивают данные и по амплитуде, и по фазе. В результате метод холодного источника при измерениях коэффициента шума позволяет достичь значительно более высокой точности.

В статье описано техническое решение, использующее метод холодного источника, на базе анализатора цепей серии PNA-X компании Agilent, работающее в микроволновом диапазоне. Снабженный опцией измерения коэффициента шума с полной коррекцией (опция 029), анализатор цепей серии PNA-X поддерживает исключительную точность. Обновленные аппаратные средства прибора обеспечивают удобство измерений в диапазоне частот до 50 ГГц. Теперь дополнительные внешние аппаратные средства требуются только при проведении измерений в диапазоне частот 50–67 ГГц. Анализатор цепей серии PNA-X также позволяет сэкономить время, поскольку предусматривает возможность проведения комплекса измерений (коэффициент шума, S-параметры, компрессия коэффициента усиления и интермодуляционные искажения), используя лишь один набор подключений к испытуемому устройству (ИУ).

 

Обзор: коэффициент шума

Фактор шума, измеряемый в линейных единицах, и коэффициент шума, измеряемый в логарифмических единицах, — весьма полезные и широко признанные показатели качества, которые характеризуют, сколько шума усилитель или преобразователь частоты добавляет к проходящим через них сигналам. Определение каждого из обоих терминов является простым и наглядным. Например, фактор шума (F) какой-либо цепи определяется как отношение сигнал/шум на входе цепи к отношению сигнал/шум на выходе цепи:

F = (Si/Ni)/(So/No)

Коэффициент шума (NF) — это фактор шума, выраженный в децибелах:

NF = 10 × log(F).

В идеальном усилителе уровень шума на выходе будет равен уровню шума на входе, умноженному на коэффициент усиления усилителя. Следствием этого является одно и то же значение отношения сигнал/шум как на входе, так и на выходе усилителя. Однако в реальном мире уровень шума на выходе больше, чем уровень шума на входе, умноженный на коэффициент усиления, поскольку само это устройство добавляет собственный шум. В результате отношение сигнал/шум на выходе будет меньше, чем на входе. Это приводит к тому, что фактор шума (F) обычно больше единицы, а коэффициент шума (NF) — больше 0 дБ.

 

Измерение коэффициента шума

Для измерения коэффициента шума обычно используются два метода: метод Y-фактора и метод холодного источника. Метод Y-фактора, или метод горячего/холодного источника, использует калиброванный источник шума, состоящий из оптимизированного по шуму лавинного диода, который может быть включен или выключен, и следующего за ним аттенюатора для обеспечения хорошего согласования по выходу.

Когда диод находится в выключенном состоянии (то есть ток смещения отсутствует), источник шума генерирует такой же уровень шума, как согласованная нагрузка при комнатной температуре. Когда к диоду прикладывается напряжение обратного смещения, он переходит в состояние лавинного пробоя, в результате создается значительный уровень электрического шума вдобавок к уровню шума, формируемому согласованной нагрузкой при комнатной температуре. Этот уровень дополнительного шума определяется как «избыточный коэффициент шума», или ИКШ. Типовыми значениями ИКШ являются 5 или 15 дБ. Коэффициент передачи и коэффициент шума ИУ можно определить по результатам отдельных измерений уровня выходной мощности при «холодной» и «горячей» согласованной нагрузке на входе.

Метод холодного источника, также иногда называемый методом прямого измерения шума, основан на использовании только одной «холодной» (обычно при комнатной температуре) согласованной нагрузки на входе ИУ. При реализации с векторными анализаторами цепей этот метод имеет важное преимущество, позволяющее экономить время, поскольку обеспечивает проведение комплекса измерений (коэффициент шума и S-параметры), используя только один набор подключений к ИУ. Это особенно важно при тестировании устройств на пластине, поскольку повторяющиеся контактные измерения могут повредить тестируемый элемент.

Кроме того, векторный анализатор цепей способен обеспечить измерение амплитудных и фазовых характеристик как измерительной системы, так и ИУ, следствием чего является исключительно высокая точность в сравнении с другими методами измерений. Подобные преимущества распространяются на широкий диапазон ИУ: усилители, преобразователи частоты и многие другие приборы.

Рис. 1. График зависимости мощности шума на выходе от мощности шума на входе отображает информацию о коэффициенте усиления, линейности характеристики и внутреннем шуме усилителя

 

Пока усилитель находится в линейном режиме, график зависимости мощности шума на выходе от мощности шума на входе будет представлять прямую линию (рис. 1). Линейность характеристики является хорошим допущением для малошумящих усилителей (МШУ), поскольку их назначение — усиление сигналов низкого уровня, находящихся далеко от области компрессии усилителя.

Даже если источник шума на входе отсутствует, все равно будет присутствовать некоторый уровень шума на выходе усилителя вследствие процессов генерации шума активными цепями данного устройства. Это тот шум, чьи характеристики мы определяем при измерении коэффициента шума.

Графически легко продемонстрировать, почему два измерения мощности шума на выходе можно использовать для определения как коэффициента усиления (наклон линии), так и коэффициента шума (получаемого из точки пересечения с осью Y). В то же время, если коэффициент усиления (наклон линии) можно определить с помощью других методов, например, посредством возбуждения синусоидальным сигналом и измерений, обеспечиваемых векторным анализатором цепей, то потребуется только одно измерение мощности шума для вычисления точки пересечения с осью Y и, соответственно, коэффициента шума ИУ (это основа метода холодного источника).

 

Проблема: ухудшение точности измерений

Одно из основных допущений, лежащих в основе метода Y-фактора, заключается в том, что источник шума представляет для ИУ стабильное 50-омное согласование. Любое отклонение от значения 50 Ом может существенно ухудшить точность измерения. Степень ухудшения зависит от сценария измерения. Например, если источник шума подключен непосредственно к входу тестируемого усилителя, точность измерения коэффициента шума будет достаточно хорошей. Это особенно справедливо в случае использования источников шума с низким ИКШ, которые обычно обеспечивают лучшее согласование, чем источники шума с большим ИКШ.

При измерениях на пластине (рис. 2) между источником шума и ИУ имеются различные электрические цепи, вызывающие снижение точности измерений из-за ухудшения согласования в источнике. Это остается справедливым даже в случае полной компенсации потерь, вносимых кабелями, переключателями и пробниками зондовых станций. Причина в том, что компенсация потерь не может устранить ни эффекты рассогласования, ни эффекты, вносимые шумовыми параметрами. Такие эффекты добавляют пульсации и неопределенность в результаты измерения коэффициента шума.

Рис. 2. Чем длиннее и сложнее становится линия передачи шумового сигнала от ГШ до тестируемого устройства, тем в большей степени может пострадать точность измерения из-за ухудшения согласования в источнике

 

Общее решение: измерение с помощью анализатора цепей серии PNA-X

Анализатор цепей серии PNA-X СВЧ-диапазона позволяет при одном подключении измерять S-параметры, компрессию коэффициента усиления и фазы, гармоники и интермодуляционные искажения. Опция 029, обеспечивающая измерение коэффициента шума с коррекцией неполного согласования в источнике, включает измерения  коэффициента шума в список возможных измерений путем добавления аппаратных средств и встроенного программного обеспечения к PNA-X.

Что касается аппаратных средств, данная опция добавляет малошумящие приемники с тем же диапазоном частот, в котором работает и сам прибор, но с ограничением до 50 ГГц. Измерения коэффициента шума могут быть расширены до 67 ГГц с помощью одного из стандартных приемников PNA-X, нередко с добавлением внешнего предусилителя и фильтра для удаления внеполосного шума. Данная опция также расширяет встроенное программное обеспечение прибора возможностями реализации специализированных измерений и алгоритмов калибровки.

Полная векторная коррекция ошибок может быть достигнута при использовании встроенного тюнера импеданса, доступного в моделях с диапазоном частот до 43,5, 50 и 67 ГГц, или внешнего модуля электронной калибровки (ECal) c диапазоном частот до 13,5 или 26,5 ГГц, сконфигурированного в качестве тюнера импеданса. В сочетании со стандартными измерениями коэффициента усиления (передачи) и параметров согласования с применением векторной коррекции ошибок, тюнер импеданса помогает устранить эффекты, связанные с неполным согласованием в источнике системы, что значительно повышает точность измерения.

Метод коррекции согласования в источнике уникален для PNA-X. Диаграмма Смита, показанная на рис. 3, иллюстрирует реализацию данного метода. Квадрат в центре диаграммы указывает точку, в которой мы хотели бы измерить коэффициент шума ИУ. Это соответствует идеальному 50-омному согласованию в источнике. С другой стороны, нам известно, что испытательная система не обеспечивает идеального согласования во всем диапазоне частот.

Для устранения подобного недостатка анализатор цепей серии PNA-X с опцией 029 использует от четырех до семи прецизионных импедансов, которые отличаются от значения 50 Ом. Они указаны в виде четырех кружков на рис. 3. При каждом значении импеданса PNA-X измеряет мощность шума, поступающего от ИУ. Значения импедансов этих четырех состояний измеряются во время калибровки системы, а значения мощности шума измеряются с ИУ, установленным на своем месте. Пары значений импеданс/мощность шума затем применяются для решения уравнения шумовых параметров, что, в свою очередь, обеспечивает очень точное вычисление коэффициента шума, соответствующего 50-омному согласованию в источнике (квадрату в центре).

Рис. 3. Анализатор цепей серии PNA-X может использовать от четырех до семи состояний импеданса, которые отличаются от 50 Ом, чтобы обеспечить точное вычисление коэффициента шума, соответствующего 50-омному согласованию в источнике, для ИУ

 

Точно так же, как векторная коррекция ошибок используется для значительного улучшения нескорректированного согласования в источнике и нагрузке векторного анализатора цепей при измерении S-параметров, метод коррекции согласования в источнике представляет неполное согласование в источнике PNA-X таким, как если бы оно выглядело вполне допустимым для измерений коэффициента шума. Во время реального измерения ИУ проводится свипирование частоты для каждого состояния импеданса. Это более эффективно, чем изменение импеданса в каждой частотной точке. Помимо четырех, пяти или семи циклов свипирования, необходимых для измерения мощности шума, выполняются два традиционных цикла свипирования для измерения S-параметров (в прямом и обратном направлениях) с помощью стандартных приемников. Два цикла свипирования необходимы для обеспечения точного измерения коэффициента усиления усилителя и четыре цикла свипирования — для измерения усиления (преобразования) преобразователя частоты.

На рис. 4 показан пример сравнения методов Y-фактора и PNA-X. В обоих случаях были проведены широкополосные измерения коэффициента шума несогласованного малошумящего транзистора в корпусе, использующие 401 точку. Для метода Y-фактора применен источник шума 346С компании Agilent c ИКШ = 14 дБ.

График результатов измерения PNA-X имеет гладкий характер и соответствует среднему значению графика результатов измерений, полученных методом Y-фактора, имеющих вид пульсаций. Пульсации при измерениях методом Y-фактора нечасто видны по двум причинам. Первая причина заключается в том, что многие устройства являются узкополосными, и поэтому используемая полоса частот измерения часто слишком узка, чтобы отобразить присущие данному методу пульсации. При узкополосных измерениях с центральной частотой ниже 15 ГГц метод Y-фактора может представить рабочие характеристики МШУ либо гораздо лучше, либо гораздо хуже, чем на самом деле.

Рис. 4. Используя метод коррекции согласования в источнике, анализатор цепей серии PNA-X обеспечивает более точное представление коэффициента шума ИУ по сравнению с применением метода Y-фактора и анализатора коэффициента шума серии NFA

 

Вторая причина состоит в том, что даже при широкополосных измерениях невысокая скорость измерений, обеспечиваемая методом Y-фактора, вынуждает применять небольшое число точек измерения. За счет этого представление реальных рабочих характеристик устройства формируется в условиях недостаточного шага по частоте или с наложением мешающего сигнала, как показано пунктирной линией на рис. 4. В данном случае было только 11 точек измерения. Это значение обычно используется в специализированных анализаторах коэффициента шума серии NFA.

Очевидно, что при измерении, использующем 401 точку, анализатор цепей серии PNA-X обеспечивает меньший уровень пульсаций и за счет этого — более высокую точность измерений и более достоверное отображение коэффициента шума ИУ.

 

Общее решение: определение характеристик приемника шума

Измерение коэффициента шума любого ИУ с коррекцией на пластине и в других случаях требует, чтобы мы определили мощность шума, вносимую внутренними приемниками шума измерительного прибора, и вычли ее из необработанного (нескорректированного) результата измерения. На результат измерения мощности шума влияет коэффициент усиления, полоса пропускания и коэффициент шума приемника. Например, чем больше коэффициент усиления, тем выше измеренный уровень мощности. Мощность шума приемника зависит и от его полосы пропускания. Таким образом, общая мощность шума, вносимая приемниками шума, пропорциональна произведению коэффициента усиления и полосы пропускания приемника (рис. 5).

Коэффициент усиления и полосу пропускания можно измерить отдельно или вместе в виде одного произведения. Для таких методов, как метод Y-фактора, который использует источник шума, характеристики приемника шума определяются измерением произведения коэффициента усиления и полосы пропускания при непосредственной подаче известной величины избыточного шума.

Рис. 5. Определение произведения коэффициента усиления и полосы пропускания приемника шума помогает измерить мощность шума, вносимую внутренними приемниками шума, которая используется в качестве поправочного коэффициента для обеспечения калиброванных измерений

 

Анализатор цепей серии PNA-X предлагает альтернативный подход, где в качестве калибровочной меры присутствует измеритель мощности и преобразователь мощности вместо источника шума. Этот метод основан на отдельных измерениях коэффициента усиления и полосы пропускания. Одним из преимуществ подобного подхода является практичность: в диапазоне частот до 50 ГГц преобразователи мощности более распространены, чем источники шума.

Этот подход предусматривает три этапа. Сначала измеритель и преобразователь мощности используются для калибровки РЧ-источника анализатора цепей серии PNA-X в заданном диапазоне частот. Затем откалиброванный источник предназначается для калибровки коэффициента усиления приемника шума. После чего с помощью свипирования фильтра шумовой полосы пропускания измеряется АЧХ фильтра ПЧ приемника шума в каждой частотной точке в пределах требуемого измерения. АЧХ фильтра ПЧ затем интегрируется для вычисления эффективной полосы пропускания шума приемника шума. Значения коэффициента усиления и полосы пропускания комбинируются в каждой частотной точке для получения характеристики произведения коэффициента усиления и полосы пропускания приемника.

Подход с использованием измерителя мощности имеет еще одно преимущество: в данном случае не происходит ухудшения джиттера измерения на частотах выше 45 ГГц из-за типового спада АЧХ избыточного коэффициента шума (ИКШ) источника шума. В результате погрешность измерения в случае подхода с измерителем мощности будет, вероятно, немного лучше по сравнению с погрешностью, полученной при использовании стандартного источника шума.

 

Конкретное техническое решение и результаты: распространение точности измерений до наконечников пробников

При измерении коэффициента шума на пластине, выполненного анализатором цепей серии PNA-X, хорошие результаты гарантируют два типа калибровки: можно использовать мастер калибровки Calibration Wizard или Cal All Wizard, который включает 2-портовую калибровку на пластине, либо применить коаксиальные калибровочные меры и исключение цепей пробников (зондов) зондовой станции, используя данные их S-параметров. Хотя оба подхода обеспечивают превосходную точность измерений, ограничением, которому часто не придается должного значения, становится качество кабелей, имеющихся в испытательной установке. Рассмотрим подробнее каждый из этих факторов.

 

Использование мастера калибровки Cal Wizard

При работе с любым мастером калибровки, Cal Wizard или Cal All Wizard, используется комбинация шагов калибровки коаксиального тракта и на пластине. В данном примере показана калибровка на пластине посредством мастера калибровки Cal Wizard.

Этот процесс, включающий три шага, показан на рис. 6. В данном примере источник шума подсоединяется к концу кабеля, предназначенного для подключения измерительного пробника (зонда), а не к измерительному порту 2 анализатора (шаг 1). Хотя лучше подсоединить источник шума непосредственно к порту 2, подключение его к концу кабеля будет более удобным, если анализатор цепей установлен в приборной стойке позади зондовой станции. Если непосредственное подключение невозможно, кабель, подключаемый к порту 2, должен иметь минимально возможные потери. Любые потери вычитаются из ИКШ источника шума, что приводит к увеличению джиттера. Если потери в кабеле, подключенном к порту 2, слишком велики, это может стать препятствием для использования источника шума из-за отсутствия избыточного шума на частотах выше 45 ГГц. В таком случае следует провести калибровку на базе измерителя мощности.

Рис 6. Мастер калибровки коэффициента шума автоматически встраивает потери, вносимые пробником (зондом) в данные шумовых параметров, чтобы переместить опорную плоскость калибровки к опорной плоскости 2-портовой калибровки

 

Для подключения источника шума к испытательной системе необходим переход «розетка-розетка». После завершения измерения шумовых параметров проводится 1-портовая калибровка (переход остается на своем месте), чтобы установить опорную плоскость калибровки шума (шаг 2). По окончании 1-портовой калибровки переход должен быть удален, чтобы снова подсоединить пробник (зонд).

Последним шагом является 2-портовая TRL-калибровка на пластине. Если в шаге 1 был использован измеритель мощности или если в шаге 2 не был применен модуль ECal, требуется два дополнительных импеданса для точных измерений с изменением импеданса источника на входе приемника шума в шаге 3. В качестве дополнительных мер обычно используются короткозамкнутая нагрузка (КЗ) или нагрузка холостого хода (ХХ) и несогласованная линия передачи. При этом необходимо, чтобы ни одна из этих мер не была частью TRL-калибровки. По окончании всех трех шагов встроенное программное обеспечение калибровки шума использует корректное математическое встраивание цепей для перемещения опорной плоскости калибровки шума к опорной плоскости 2-портовой калибровки (даже если переход «розетка-розетка» был удален).

В случае применения анализатора цепей серии PNA-X важным шагом при проведении калибровки коэффициента шума становится измерение шумовых параметров малошумящего приемника. Это гарантирует, что из всех результатов измерений ИУ будет вычитаться правильная величина шума, вносимого приемником, обеспечивая измерение шума только от ИУ.

Величина шума, добавляемого приемником, зависит от согласования на выходе (S22) ИУ, которое легко измеряется векторным анализатором цепей. Это согласование для приемника является согласованием в источнике. В соответствии с теорией шумовых параметров коэффициент шума усилителя или приемника зависит от согласования в источнике, подсоединенного к входу. Шумовые параметры приемника измеряются точно так же, как и шумовые параметры ИУ: для приемника (на порте 2) воспроизводится набор известных импедансов и мощность шума измеряется при каждом состоянии импеданса.

Самый быстрый и простой способ сделать это — использовать источник шума и модуль ECal во время калибровки. Изменение импеданса источника (или мощности шума) может быть реализовано как часть шага 2, описанного выше, если 1-портовые параметры измеряются в стандартной плоскости калибровки шума.

Если источник шума применен в качестве калибровочной меры, он всегда подключен к порту 2. Однако если используется преобразователь мощности, он подсоединяется к порту 1, что исключает возможность изменения импеданса на входе приемника шума на порте 2 с помощью модуля ECal. В таких случаях понадобятся дополнительные меры TRL для завершения измерения шумовых параметров приемника.

Рис. 7. Исключение цепей пробников зондовой станции представляет собой другой способ получения калиброванных результатов измерений

 

Использование функции исключения цепей

В данном примере калибровка коэффициента шума производится исключительно с помощью коаксиальных мер, а цепи пробников (зондов) зондовой станции математически исключаются из результатов последующих измерений с использованием функции моделирования устройства подключения анализатора цепей серии PNA-X. На рис. 7, который иллюстрирует данный процесс, состоящий из трех шагов, показан источник шума; однако вместо него можно использовать преобразователь мощности.

Шаг 1 данного процесса заключается в получении S-параметров пробников зондовой станции. Это можно сделать, если сначала выполнить калибровку на конце коаксиального кабеля, а затем добавить пробник и провести калибровку на пластине. Используя оба набора калибровочных коэффициентов, можно определить S-параметры пробника. Этот шаг выполняется только один раз для каждого пробника.

Затем осуществляется калибровка шума в коаксиальном тракте. Фактическое число шагов зависит от выбранного калибровочного набора и типов соединителей. При измерениях ИУ используется функция моделирования устройства подключения для математического исключения цепей на каждом измерительном порте. Вам потребуется определить файлы s2p, соответствующие пробникам зондовой станции, используемым на каждом порте.

 

Сравнение реальных результатов, полученных с помощью мастера калибровки Cal Wizard

Два примера, приведенные ниже, покажут, как эти методы улучшают точность измерений на пластине. В первом примере был употреблен анализатор цепей N5245A серии PNA-X с диапазоном частот до 50 ГГц и автоматическая зондовая станция для измерения параметров одного несогласованного полевого транзистора. На рис. 8a и b показаны два набора графиков: на верхних графиках использовалась скалярная калибровка шума, а на нижних — векторная калибровка шума и встроенный тюнер.

Рис. 8a, b. В сравнении со скалярной калибровкой шума (вверху) векторная калибровка шума снижает неравномерность характеристики, имеющей вид пульсаций, при измерениях коэффициента шума (NF) (графики синего цвета)

 

При использовании скалярной калибровки наблюдается некоторая неравномерность измеренной характеристики коэффициента шума, имеющая вид пульсаций, из-за неполного согласования в источнике. При использовании векторной калибровки пульсации снижаются примерно до 45 ГГц, но затем резко увеличиваются в диапазоне частот 45–50 ГГц. В данной конфигурации испытательной системы применялись недорогие кабели, и наиболее вероятно, что именно они привели к тем проблемам, которые проявились в результатах измерения коэффициента шума (NF) (график синего цвета) и параметра S11 (график красного цвета).

Те же самые измерения были сделаны на другой установке зондового контроля, оснащенной анализатором цепей N5247A серии PNA-X с диапазоном частот до 67 ГГц, которая имеет коэффициент шума на частоте 50 ГГц на 2 дБ лучше, чем N5245A. Между анализатором цепей серии PNA-X и пробниками зондовой станции использовались более короткие и качественные кабели. Такое сочетание улучшения коэффициента шума, снижения потерь и повышения стабильности характеристик кабелей приводит к превосходным результатам с использованием векторной калибровки шума и встроенного тюнера, как показано на рис. 9 справа. Как и в предыдущем случае, графики, расположенные слева, были получены посредством скалярной калибровки шума, и поэтому график измерения коэффициента шума содержит пульсации; графики, находящиеся справа, получены с использованием векторной калибровки шума, и пульсации были устранены.

Рис. 9. Использование высококачественных кабелей и векторного анализатора цепей с лучшим коэффициентом шума позволяет получить точные, без пульсаций, результаты измерений с помощью векторной калибровки шума (графики, расположенные справа)

 

Использование внешнего тюнера

Измерения на пластине обычно проводятся на несогласованных устройствах, которые очень чувствительны к согласованию в источнике. Хотя векторная калибровка шума способна преодолеть эту проблему, дополнительные потери, вносимые кабелями и пробниками на порте 1, могут расширить диапазон значений импедансов, воспроизводимых для ИУ. Это может стать причиной выбросов там, где алгоритм векторной калибровки шума не может найти правильное решение для коэффициента шума при 50-омном согласовании. Данную проблему можно исправить, используя более качественные кабели на измерительном порте. Если в данной конфигурации уже предусмотрены кабели хорошего качества, то для исключения выбросов предпочтительны более сложные конфигурации установок зондового контроля.

В установке, приведенной в следующем примере, встроенный тюнер анализатора цепей заменен внешним тюнером. Конфигурация, показанная на рис. 10, использует внешние цепи подачи смещения и заменяет встроенный тюнер внешним модулем ECal, который помещается как можно ближе к ИУ, чтобы снизить потери в кабеле. Поскольку данная установка воспроизводит более широкий диапазон значений импедансов для ИУ, она обеспечивает более эффективную векторную калибровку шума; однако потери в тракте прямой передачи модуля ECal ухудшают нескорректированные характеристики направленности на порте 1 при измерениях S-параметров, делая результаты калибровки менее стабильными с течением времени.

Рис. 10. Данная конфигурация с внешним тюнером и цепью подачи смещения помогает решить проблемы, связанные с потерями в кабелях, и позволяет провести более эффективную векторную калибровку шума

 

Рис. 11. Для компенсации влияния потерь в тракте на направленность системы можно добавить внешний направленный ответвитель после тюнера перед ИУ, что помогает сохранить высокую точность калибровки и измерения S-параметров

 

Альтернативный подход представлен на рис. 11. Помимо внешнего тюнера импеданса (его роль выполняет модуль ECal) и цепи подачи смещения, данная установка включает направленный ответвитель, расположенный вблизи ИУ. Эта конфигурация решает проблемы, связанные с потерями в кабелях, и расширяет диапазон значений импедансов, представляемых тюнером, без ухудшения характеристик направленности.

 

Сравнение реальных результатов, полученных с использованием внешнего тюнера

Два метода для улучшения результатов измерения коэффициента шума, описанные выше, использовались в ранее упомянутых установках зондового контроля. В первой установке добавление внешних компонентов помогло уменьшить, но не исключить полностью выбросы, показанные на рис. 8b.

Оба набора графиков, изображенные на рис. 12, получены при помощи векторной калибровки шума. Верхние графики получены с использованием конфигурации, включающей внешний тюнер и цепь подачи смещения, как показано на рис. 10; нижние графики — с применением конфигурации, включающей тюнер, цепь подачи смещения и направленный ответвитель, как видно на рис. 11. Дополнительную выгоду можно было бы получить путем большего усреднения шума, но за счет увеличения времени измерения. Как и в случае, который обсуждался ранее, более качественные кабели должны еще в большей степени улучшить результаты.

Рис. 12a, b. По сравнению с результатами, приведенными на рис. 8b, данные графики, полученные на установке зондового контроля 1, показывают улучшения при измерении S-параметров и коэффициента шума

 

Для установки зондового контроля 2 обе конфигурации с внешним тюнером также улучшают результаты измерения коэффициента шума (рис. 13); однако поскольку характеристики измерительной системы были очень хорошими, эти улучшения не настолько существенны, как в случае с установкой зондового контроля 1. Как показано на рис. 13, сочетание векторной коррекции шума и одной из конфигураций с внешними компонентами позволяет получить графики с меньшей неравномерностью, чем в случае со встроенным тюнером и скалярной калибровкой шума (график синего цвета) или векторной калибровкой шума (график красного цвета). Результаты, полученные с использованием внешнего направленного ответвителя (график оранжевого цвета), показывают самую меньшую величину джиттера и пульсаций в диапазоне частот 45–50 ГГц.

Рис. 13. При использовании в системе качественных кабелей с низкими потерями, а также при измерении устройств с хорошим согласованием по входу метод переноса тюнера шума ко входу ИУ будет оказывать менее заметное влияние на точность на джиттер трассы и общую точность измерений

 

Работа в диапазоне частот от 50 до 67 ГГц

В анализаторах цепей серии PNA-X опциональные малошумящие приемники и тюнер импеданса работают в диапазоне частот до 50 ГГц. Однако стандартные приемники, предназначенные для измерения S-параметров, могут быть использованы для проведения измерений коэффициента шума в диапазоне частот 50–67 ГГц.

Необходимо сделать два разъяснения, которые мы можем проиллюстрировать, используя структурную схему малошумящего приемника (рис. 14). Во-первых, поскольку в стандартных приемниках отсутствует малошумящий усилитель перед смесителем, характеристики шумовых параметров являются не такими хорошими, как у специализированных малошумящих приемников. Во-вторых, внеполосный шум может вносить избыточный шум в результаты измерений коэффициента шума, поскольку в стандартных приемниках также отсутствует блок фильтров перед смесителем.

Рис. 14. В специализированном малошумящем приемнике тракт сигнала, ведущий к смесителю, включает малошумящие усилители и блок фильтров

 

При использовании стандартного приемника необходимо также развернуть направленный ответвитель измерительного порта 2 в обратную сторону, при этом прямое плечо и ответвленное плечо меняются местами, за счет чего чувствительность приемника увеличивается. Это достигается за счет снижения мощности порта при измерении обратных S-параметров и является хорошим компромиссом для измерений коэффициента шума.

К счастью, данные ограничения можно преодолеть с помощью внешнего оборудования: предусилителя и фильтра. Как показано на рис. 15, предусилитель и фильтр подсоединяются к приемнику напрямую, за счет чего исключаются потери, которые возникают в направленном ответвителе измерительного порта.

Рис. 15. Добавление внешнего предусилителя и фильтра улучшает качество измерений коэффициента шума с использованием стандартных приемников в диапазоне частот 50–67 ГГц

 

При использовании этой установки заданный уровень мощности сигнала источника, поступающего с выхода измерительного порта 2, будет уменьшен на величину потерь в ответвителе, поскольку теперь сигнал источника проходит через ответвленное плечо. Заметим также, что сигнал проходит и в обход встроенного тюнера. Для векторной калибровки шума требуется внешний модуль ECal (N4694A), который работает в диапазоне частот до 67 ГГц и имеет соединители 1,85 мм.

Необходимо принять во внимание еще одно предостережение: высокий коэффициент усиления, обеспечиваемый данной конфигурацией, усложняет калибровку и измерение параметров многих типовых ИУ. С учетом такого большого коэффициента усиления в установке зондового контроля важно предпринять особые меры предосторожности и установить уровни мощности порта достаточно низкими, чтобы предотвратить компрессию предусилителя и приемника анализатора цепей серии PNA-X во время калибровки и последующих измерений.

Внешний фильтр играет решающую роль в обеспечении хорошего качества измерений коэффициента шума. В анализаторе цепей серии PNA-X для измерений на частотах выше 26,5 ГГц используется смешение на третьей гармонике. Однако преобразование шума происходит также на основной частоте гетеродина, результатом чего является большой вклад внеполосного шума в результаты измерения.

При измерении коэффициента шума с помощью малошумящего приемника анализатор отфильтровывает шум либо вблизи основной частоты, либо вблизи третьей гармоники, в зависимости от полосы частот. При измерении коэффициента шума с использованием стандартного приемника внутренняя фильтрация отсутствует. В итоге при измерении в диапазоне частот 50–67 ГГц будет появляться внеполосный шум вблизи основной частоты гетеродина вследствие поступления мощности шума ИУ на исследуемой частоте третьей гармоники, и это приведет к нежелательному увеличению значения измеренного коэффициента шума.

При использовании стандартного приемника в диапазоне частот ниже 26,5 ГГц для подавления шума вблизи третьей гармоники необходим внешний фильтр низких частот или полосовой фильтр. При измерении в диапазоне частот выше 26,5 ГГц для подавления шума вблизи основной частоты гетеродина необходим фильтр верхних частот или полосовой фильтр. При измерениях в полосе частот 50–67 ГГц два коаксиально-волноводных перехода V281A (WR-15) компании подключаются последовательно, образуя превосходный фильтр верхних частот, который подавляет сигналы на частотах ниже 44 ГГц.

 

Выводы

Не всегда бывает просто получить точные данные измерения коэффициента шума на пластине: результат зависит от методики измерения и конфигурации измерительного оборудования. Как было указано выше, векторный анализатор цепей способен обеспечить измерение амплитудных и фазовых характеристик как измерительной системы, так и ИУ. Это позволяет достичь высокой точности при использовании метода холодного источника для измерения коэффициента шума усилителей, преобразователей частоты и многих других ИУ.

Снабженный опцией измерения коэффициента шума с полной коррекцией (опция 029), СВЧ-анализатор цепей серии PNA-X обеспечивает исключительную точность. Ключевым фактором являются методы калибровки, обеспечиваемые СВЧ-анализаторами серии PNA-X. Эти передовые методы позволяют распространить точность измерений вплоть до наконечников пробников (зондов).

Что касается внешнего по отношению к анализатору цепей оборудования, использование высококачественных кабелей будет способствовать дальнейшему улучшению измерений коэффициента шума. В некоторых случаях, как было проиллюстрировано здесь реальными результатами измерений, применение внешних тюнеров, цепей подачи смещения и ответвителей измерительных портов может в значительной степени снизить джиттер и неравномерность характеристики, имеющей вид пульсаций, при измерениях коэффициента шума на частотах до 50 ГГц.

Для измерений в диапазоне частот 50–67 ГГц можно использовать стандартные приемники. Посредством добавления внешнего предусилителя и внешнего фильтра точные результаты могут быть получены во всем диапазоне измерения анализатора цепей серии PNA-X.

 

 

Комментарий специалиста

Никита Болдырев, руководитель направления радиоизмерительного оборудования компании «Диполь»:

Мир радиоэлектроники — это постоянное поле боя: за уменьшение массогабаритных показателей, снижение энергопотребления, повышение количества и качества информации. Коэффициент шума (КШ) является одним из ключевых показателей радиоэлектронных систем, влияющим на общую энергетику. В предыдущих номерах журнала «Эксперт +» мы подробно разбирали измерения КШ с помощью наиболее простого и экономичного метода измерения Y-фактора. Но для целого класса задач возможность применения и точности этого метода недопустимы. Одной из причин является активно развивающиеся в последнее годы разработка и производство отечественной электронно-компонентной базы, имеющей крайне высокие требования к проектируемым изделиям. Благодаря использованию векторных анализаторов цепей с малошумящими приемниками и другим новаторским решениям удается достигнуть беспрецедентной точности измерения КШ.

 

Материалы предоставлены Группой компаний "Диполь": www.dipaul.ru

 

 

 

Понравилась статья? Поставьте лайк 7

---

Микроэлектроника Контроль Измерительное оборудование Измерительное оборудование Keysight Technologies Keysight Technologies Измерение коэффициента шума