Iсторiя вимiрювання RF-потужностi

Перше вимірювання потужності і частоти ВЧ/НВЧ сигналів було засновано на вимірюванні відстані між двома сусідніми пучностями стоячої хвилі в лінії передачі з двох неізольованих проводів і КЗ перемички на них. Спосіб розробив фізик Ернст Лехер у 1888-му, де для пошуку пучностей та індикації рівня потужності використовувалася лампочка розжарювання. Довжина хвилі дорівнювала х2 відрізка між пучностями. Для виключення впливу низького і змінного імпедансу нитки розжарювання на лінію передачі, лампа замінена на високоімпедансну лампу тлiючого розряду, а ще пізніше на неонку... 

У 1930 брати Варіан використали інший спосіб під час розробки клістрону, просвердливши невеликий отвір в об'ємному резонаторі та закривши його люмінесцентним екраном. Яскравість світіння була показометром рівня потужності.

На сьогодні існує декілька методів вимірювання RF-потужностi:

1. Тепловий (болометричний)
2. Детекторний
3. Селективним мілівольтметром (приймачем) з виміром амплітуди
4. Вибіркою ВЧ-сигналу, у тому числі аналізатором спектру (бюджетно TinySA + атенюатор з послабленням до 0 dB)
5. Синхронне широкосмугове вимірювання
6. Асинхронне вузькосмугове вимірювання

Перше вимірювання - прямого типу, де вся енергія ВЧ сигналу перетворюється у тепло. На практиці, болометричний датчик не містить нелінійних елементів і є одним із найточніших при вимірюванні потужності сигналів. 

У другому методі амплітуда ВЧ сигналу перетворюється у DC за допомогою нелінійного елемента - детекторного діода, робочу точку якого спеціально виводять на досить вузьку лінійну ділянку ВАХ. При цьому на низьких рівнях діод працює як нелінійний резистор, а на високих як піковий детектор. Звідси й недолік обмеження динамічного діапазону роботи. Частково проблему знімають амплітудно-фазові детектори, наприклад, від аналогових дівок AD8307(−55...+25dBm)/AD8317 (−53...-3dBm). При використанні безіндукційного навантаження та атенюатора можна проводити вимірювання потужності аж до 2.7 та 10 GHz у межах їх динамічних діапазонів.

     

При вимірах прохідної потужності найчастіше використовуються спрямовані відгалужувачі (СВ), виконані на МПЛ (хоча зустрічаються і сурогат на LC), і звичайних АД. 

Вимірювачі RF потужності з використанням спрямованних відгалуджувачів та детекторів мають наступні недоліки:

1. Спрямований вiдгалуджувач (СВ) - це 4-х полюсник резонансного типу, смуга роботи якого обмежена, отже за межами вимiряна амплітуда хвилі, прямої та зворотної некоректна. У більш дорогому сегменті встановлюють два СВ – один для КХ, інший на УКХ. З КХ проблем немає, там смуга всього 30MHz, а ось весь УКХ перекрити такий відгалуджувач не зможе, потрiбно калiбрування (у тому ж Suricom один СВ на 500MHz).
2. Нелінійність амплiтудного детектору на початку та в кiнцi ВАХ

   

Важливе зауваження! У разі присутності побічних гармонік у сигналі або при вимiрюваннi складних сигналiв як LFM, TDMA та iмпульсних RF-сигналiв взагалi, вимірювання потужності корисного сигналу прямими методами стає неможливим. Особливо при вимірі сигналу з цифровою модуляцією (зі змінною скважнiстю). Оскільки дається взнаки не стільки обмежена швидкодія детектора, скільки необхідність вимірювання в часовій ділянці дії сигналу.

Вимірювання потужності імпульсних сигналів за допомогою VNA S5180B

Існує два режими імпульсного вимірювання RF-сигналiв:

1. Синхронне широкосмугове вимірювання, також звана "точка в імпульсі"
2. Асинхронне вузькосмугове вимірювання

Синхронне широкосмугове вимірювання

При синхронному широкосмуговому вимірюваннi вимір S-параметрів починається і закінчується у кожному імпульсі:

У цьому випадку запуск необхідний для синхронізації періоду виміру в межах RF-імпульсу. Якщо VNA модулює внутрішньо, ця синхронізація вже доступна VNA. Якщо RF модулюється імпульсно ззовні, для цієї мети має бути наданий зовнішній тригер. Період вимірювання VNA змінюється в залежності від налаштування смуги пропускання ПЧ. Цей період становить приблизно 1.2/IFBW. Таким чином, найвужчий період вимірювання для S5180B в смузi 300 kHz становить 1.2/300 kHz або ~ 4 us. Найвужчий вимірюваний RF-імпульс повинен бути ширшим за це значення, щоб повністю його вмістити. У частотній ділянці широка смуга пропускання ПЧ та відносно вузька ширина імпульсу:

Цей метод називається "широкосмуговим синхронним", оскільки ширина смуги ПЧ досить широка, щоб вмістити більшу частину імпульсної RF-енергії, вимір відбувається всередині RF-імпульсу та вимір синхронізовано з імпульсною модуляцією.

Асинхронне вузькосмугове вимірювання

При асинхронному вузькосмуговому вимірюваннi пакет імпульсів вимірюється VNA асинхронно. Як приклад, часовi характеристики:

Не обов'язково синхронізувати VNA із пакетом імпульсів. Вимірювання може починатися або закінчуватися в межах імпульсу або між ними, але повинно містити не менше десяти імпульсів, щоб запобігти надмірній пульсації. Цей метод призводить до певної втрати динамічного діапазону. Вочевидь, що вимір безперервного (CW) сигналу дасть точний вимір амплітуди. Імпульсний радіочастотний сигнал з 50% робочим циклом з безліччю імпульсів, що виникають під час циклу вимірювання, міститиме лише половину загальної потужності. Де зменшення амплітуди* сигналу становить 20*Lg вiд робочого циклу імпульсу.

* Оскільки VNA знає про скважнiсть імпульсу за допомогою завдання періоду імпульсу та ширини імпульсу, зміна рівня амплітуди коригується. Таким чином, зменшення скважностi не зменшить виміряну амплітуду, але рівень шуму збільшиться. Це буде помітно, якщо вимірюється фільтр з низькими втратами в смузi пропускання та високими втратами в смузі блокування. Втрати, що вносяться, не зміняться, але рівень шуму з обох сторін збільшиться на 20*Log10(t/T)

Цей метод називається "вузькосмуговим асинхронним", оскільки смуга пропускання ПЧ набагато меньше смуги пропускання імпульсного RF-сигналу. При цьому захоплюється лише частина RF-енергії, а тому виміряна амплітуда сигналу менше, ніж в немодулированного сигналу. Цей нижчий рівень сигналу призводить до втрати динамічного діапазону вимірювань. Рівень шуму приймача не змінився, але виміряний рівень RF зменшився на 20*Lg вiд коефіцієнту заповнення імпульсу. Зате при цьому є можливість вимірювання набагато вужчих імпульсів і високих частот повторення імпульсів.

Як виміряти потужність (та АЧХ при необхiдностi) PA за допомогою TinySA Ultra

Наприклад, маємо вихiдну потужнiсть PA = 50W, це 10*lg (1000*50) ~ +47 dBm, а з ТТХ для TinySA Ultra максимальна вхiдна потужнiсть  = +5 dBm

Отже методика наступна:

1. Для збереження цiлiстностi LNA в TinySA Ultra та зручностi вiдлiку обмежемо вхiдний рiвень до 0 dBm
2. Щоби вийти на 0 dBm з 50W потрiбен атенюатор не меньше = -47 dBm та з радiатором на таку потужнiсть та частоту з запасом
3. Якщо нема потрiбного з запасом по потужностi одразу (або дорогий), ставимо послiдовно декiлька атенюаторiв за принципом - одразу пiсля PA потужний атенюатор на 100W з меньшим послабленням, а пiсля наборнi на рiзницю послаблення
4. Для вимiрювання АЧХ, оскiльки потужнiсть на тiньку вже обмежили, просто треба перейти в режим S21 в потрiбному дiапазонi сканування та з'єднати вихідний порт TinySA Ultra з входом PA
5. Придiляйте особливу увагу екрануванню та щiльностi оплетення всіх з'єднувальних кабелів і конекторів у ланцюжку

Наприклад, обрали перший атенюатор на -30 dBm (на потужнiсть розсiювання 100W), другий на -15 dBm та третiй на -2 dBm на будь-яку потужнiсть (бо залишок +17 dBm це всього 50 mW). Також можна брати бiльше, кратно 5 dB, наприклад обрати атенюатор на -50 dBm, просто врахувати коефiцiент в меню TinySA Ultra.

Перелiк апаратури для вимiрювань потужностi складних сигналiв

1. Tektronix PSM4120 + атенюатор
2. VNA S5180B
3. LMR Master S412E Anritsu
4. 32394 ROHDE & SCHWARZ
5. TP-RFX Spectrum analizier Teleproject + атенюатор на потрiбну потужнiсть, послаблення та частотний дiапазон
6. TinySA Ultra Spectrum analizier + атенюатор на потрiбну потужнiсть, послаблення та частотний дiапазон
7. Nissei DG503 MAX power meter
8. Redot RD106P power meter

Постскриптум

Шановні читачі, якщо мої дописи вас зацікавили – пiдтримайте збiр або ставайте спонсорами Youtube-каналу LaboratoryW з ексклюзивними лайфхаками.

Кориснi матерiали

1. Як правильно тестувати антени
2. Як підключити Hybrid Couplers до Cross-YAGI
3. Щогла для ваших антен. Чи все так просто?
4. Про фiдер замовте слово...
5. Про тепловий пробiй або допустиму потужнiсть в фiдерi
6. Орієнтовний розрахунок допустимої потужності для рiзних RF-конекторiв
7. Приклад розрахунку втрат у діелектриці
8. Приклад конструктивних елементів підстроювання резонансу для антени в кожусі
9. Приклад розрахунку та вимірювань коефіцієнта вкорочення
10. Визначення коефіцієнту вкорочення за допомогою NanoVNA у режимі TDR
11. Вимiрювання LC на векторнiку LiteVNA
12. Вимiрювання LC на векторнiку NanoVNA
13. Вимiрювання втрат методом S11 на VNA NanoVNA
14. Вимірювання втрат методом S11 та S21 на VNA NanoVNA
15. Запірна лямбда / 4 склянка. Виготовлення та вимірювання імпедансу
16. Напiвхвильовi повторювачi
17. Гнучка коаксіальна лінія 83 Ohm для спіральних антен
18. Виготовлення напівжорсткого коаксіального кабелю імпедансом 70.7 Ohm для чвертьхвильового трансформатора
19. Розрахунок спiральних антен та відмінності від антен зі штучною еліптичною поляризацією
20. До питання узгодження спіральних антен
21. Захист спіральних антен від статики
22. Як скласти сигнали спіральних антен з одностороннім намотуванням або антен лiнiйних полярізацiй
23. Суматор двох антен iмпедансом 50 Ohm на 50 Ohm коаксиалах
24. Індуктивності та BIAS дроселi, чи все так просто?
25. Як оцінити підсилення рупорної антени
26. Лайфхак швидкої оцінки ширини діаграми спрямованості антен
27. Як вивести RF-кабель через вікно/двері, якщо не можна свердлити
28. Як виміряти КСХ та АЧХ антени за допомогою HackRF чи RTL SDR чи TinySA Ultra
29. Симетруючi шлейфи з КЗ по DC
30. Notch або смуговий фiльтри
31. На ВЧ особливу увагу придiляйте стрибку iмпеданса на стиках у конекторах
32. Чи все так просто з довжиною штирьових антен
33. Будь-яка земляна петля - антена
34. Рекомендації щодо ЕМС та трасування друкованих плат
35. Rusty bolt effect (PIM). Ефект іржавого болта або пасивні інтермодуляційні завади
36. Меблева фурнітура як джерело перешкод або сплески ЕМІ в газліфтах крісел
37. Чому на польових днях на УКХ найчастіше використовується горизонтальна поляризація?
38. DIY широкосмуговий антенний комутатор до 500 MHz
39. Антени для PEP детекторів дронів. Рекомендації щодо застосування
40. Робота РЕБ та PEP в комплексi та захист PEP приймачiв вiд впливу РЕБ в ближньому полi
41. Завади для керування БПЛА. На сьогодні існує кілька видів атак на Lora
42. Для чого розносити РЕБ та РЕР в просторi та за часом
43. Увімкнення модуля РЕБ в автоматичному режимі з TinySA Ultra
44. LR-FHSS. Як працює ППРЧ в Lora
45. SAW (ПАВ) фiльтр для збiльшення дальностi польотiв БПЛА
46. P-I-N діоди, чи все так просто (звичайнi, обмежувальнi або RF лiмiтери)
47. Модулi завад РЕБ та проблематика гонки дiапазонiв
48. Автомаяк в FM при виявленнi в спектрi на Lora та вiдео з БПЛА