Аппаратно-программный комплекс для автоматизированного измерения параметров усилителей мощности
В данной статье описан разработанный в ООО «НПК ТАИР» (входит в группу компаний ПЛАНАР) аппаратно-программный комплекс на основе векторных анализаторов цепей, который позволяет в автоматизированном режиме измерять зависимость точки компрессии и максимальной мощности по выходу усилителя от частоты, а также уровни гармонических составляющих и интермодуляционных искажений выходного сигнала. Комплекс автоматизирует процесс калибровки измерительного стенда, а также обеспечивает необходимую математическую обработку и визуализацию результатов измерений.
К.С. Жохов, А.В. Димаки, М.В. Синогин
1. Введение
Одним из самых распространенных типов СВЧ-устройств являются усилители мощности, используемые во множестве отраслей: от медицины и измерительной техники до аэрокосмических технологий. Для применения усилителей мощности в схемах необходимо знать их характеристики, в том числе: выходную мощность, коэффициент усиления, гармоники и интермодуляционные составляющие выходного сигнала. Эффективное получение данных характеристик возможно при помощи векторных анализаторов цепей (ВАЦ) за счет применения векторной коррекции и других стандартных калибровок. Несмотря на это, «сырые» измерения мощности и S-параметров, получаемые ВАЦ, не дают исчерпывающей информации о характеристиках усилителей, в частности, из-за наличия рассогласования по входу и выходу исследуемого усилителя с портами ВАЦ, а также в связи с необходимостью дополнительной математической обработки результатов измерений [1]. Сказанное обусловливает необходимость создания программно-аппаратного комплекса для автоматизированного измерения параметров усилителей. Такой комплекс должен позволять в автоматическом режиме учитывать рассогласование по входу и выходу усилителя с портами векторного анализатора цепей, обеспечить высокую точность определения точки компрессии и высокую скорость измерений с возможностью определения параметров усилителя в «горячем» режиме работы, а также удобный интерфейс пользователя.
2. Описание измерительной установки
В ООО «НПК ТАИР» разработан программно-аппаратный комплекс для автоматизированного измерения рабочих параметров усилителей мощности, включающий в себя измерительный стенд на основе одного или двух ВАЦ, управляющую ЭВМ и специализированное программное обеспечение. В зависимости от требований к точности измерений и имеющихся в наличии ВАЦ возможны различные конфигурации измерительных стендов. В простейшем случае измерительный стенд включает в себя один двухпортовый ВАЦ, к портам которого подключается исследуемый усилитель при помощи соединительных кабелей. Такой стенд может быть реализован на основе ВАЦ производства ООО «Планар» C1220 с диапазоном частот до 20 ГГц или S50244 с диапазоном частот до 44 ГГц [2, 3]. Несмотря на простоту и доступность данного стенда, он обладает существенным ограничением – невозможность измерения S-параметров усилителя в «горячем» режиме работы, а именно коэффициента отражения S22 по выходу усилителя под нагрузкой, необходимого для коррекции рассогласования измерительного приёмника и выхода усилителя. При использовании одного двухпортового прибора при измерении S22 подача сигнала с первого порта отключается и вместо этого подаётся сигнал на второй порт. В результате усилитель не принимает никакого входного сигнала и измерение происходит в «холодном» режиме, что не соответствует реальной рабочей ситуации.
Для получения корректных значений параметра S22, соответствующих работе усилителя под нагрузкой, требуется реализовать «горячий» режим измерения, при котором усилитель принимает входной сигнал на частоте f1, в то же самое время выполняется измерение отражения по выходу усилителя на частоте f2 = f1 + Δf. Значение Δf должно быть выбрано таким, чтобы значение S22 на частоте f1 не слишком отличалось от его значения на частоте f2. С другой стороны, чтобы гарантировать достаточное разделение сигналов, частотный промежуток Δf должен быть в три-пять раз больше полосы пропускания фильтра ПЧ.
В программном обеспечении по умолчанию, значение Δf составляет 100 МГц. Для реализации измерений усилителей мощности в «горячем» режиме работы необходим измерительный стенд с двумя генераторами ВЧ сигнала, реализованный на базе пары двухпортовых ВАЦ или одного четырехпортового ВАЦ с двумя источниками, например, ВАЦ C2420 производства ООО «Планар» [2]. Схема стенда с двумя двухпортовыми ВАЦ представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Измерительный стенд с двумя двухпортовыми ВАЦ.
Для корректной работы данного измерительного стенда необходимо синхронизировать работу анализаторов: путем соединения выхода Ext Trig Out первого ВАЦ со входом Ext Trig In второго ВАЦ. В случае использования стенда с одним четырехпортовым ВАЦ необходимо обеспечить синхронную перестройку частоты двух встроенных генераторов ВЧ сигнала. Схема измерительного стенда с одним четырехпортовым ВАЦ, имеющим два источника ВЧ сигнала, представлена на рис. 2.
Использование приборов с внешними перемычками с прямым доступом к приёмникам позволяет модифицировать схему выдачи и приема сигнала для специальных измерительных задач. Например, может потребоваться использование дополнительного предусилителя, если стандартной выходной мощности ВАЦ недостаточно для выведения измеряемого усилителя мощности в рабочий режим.

Рисунок 2. Измерительный стенд с четырехпортовым ВАЦ.
Известно, что реальная зависимость выходной мощности от входной является нелинейной. Уровень мощности P1, при котором отличие выходной мощности от линейной зависимости составляет 1 дБм, представляет значительный интерес при проектировании усилительных трактов. При измерении точки компрессии P1 возникает проблема ограничения точности получаемого результата шагом качания мощности по входу усилителя. Для решения данной проблемы реализован адаптивный алгоритм поиска P1, который включает следующие основные шаги:
1. Получение «грубой» оценки P1 за одно качание по мощности;
2. Разделение участка ΔP1 ± Pi на 10 равных отрезков;
3. Проведение поточечного измерения Po на участке диапазона ΔP1 ± Pi;
4. Поиск уточненной оценки P1 в измеренном узком диапазоне мощностей;
5. Если значение модуля разницы измеренной выходной мощности и линейной аппроксимации удовлетворяет заданной точности, то поиск заканчивается; если нет, то алгоритм возвращается к пункту 2 уже вблизи новой P1.
Вне зависимости от желаемой точности нахождения P1, число повторений цикла не может превышать 10, что исключает «зацикливание» алгоритма, например, вследствие влияния шумов измерений.
Для повышения точности результатов измерения параметров усилителей применяется коррекция рассогласования по входу и выходу усилителя с портами ВАЦ. С этой целью во время выполнения калибровки выходной мощности выполняется расчет составляющих трекинга опорного приемника RRF по формуле (1) и составляющих трекинга измерительного приемника BTF по формуле (2):

Реализованная коррекция рассогласования позволила уменьшить максимальную абсолютную ошибку измерения выходной мощности с 1,5 дБм до 0,03 дБм.
3. Выполнение калибровок измерительного стенда
Для достижения требуемой точности измерений необходимо выполнить ряд калибровок. Процесс выполнения калибровок автоматизирован средствами разработанного управляющего программного обеспечения, в котором для каждой калибровки отображается схема соединений стенда, подключений мер и измерительных устройств, а также приведен список шагов, необходимых для выполнения данной калибровки. До начала проведения калибровок необходимо задать следующие параметры анализатора:
1) начальное и конечное значение частотного диапазона (Гц);
2) количество измеряемых частотных точек;
3) мощность, на которой будет выполняться калибровка (дБм);
4) полоса фильтра ПЧ (Гц).
Калибровки необходимо выполнять строго по очереди. Для управления и мониторинга их состояния в программе выделена специальная область во вкладке «Калибровки». После проведения первой калибровки возможность редактирования калибровочных параметров блокируется для того, чтобы все калибровки выполнялись строго в одном и том же диапазоне параметров анализатора. Блокировка калибровочных параметров снимается в том случае, если пользователь сбросит все сделанные калибровки.
В комплект калибровок измерительного стенда входят:
1. Полная двухпортовая векторная калибровка по сечениям подключения измеряемого усилителя;
2. Измерение потерь в коаксиальном переходе (адаптере), используемом при подключении измерителя мощности;
3. Калибровка выходной мощности основного генератора ВЧ сигнала;
4. Калибровка опорного приёмника;
5. Опциональные калибровки для измерения гармоник, интермодуляционных искажений и точек их пересечения включают:
6. Калибровка выходной мощности вспомогательного генератора ВЧ сигнала;
7. Калибровка приёмника.
После выполнения всех необходимых калибровок можно переходить к измерению параметров исследуемого усилителя.
4. Результаты измерения характеристик усилителя
Реализованный аппаратно-программный комплекс был успешно применен для исследования характеристик СВЧ-усилителя ADT2-0222, разработанного в ООО «НПК ТАИР». Использовалась схема измерительного стенда с двумя двухпортовыми ВАЦ, приведенная на рисунке 2. Были получены зависимости выходной мощности и коэффициента передачи S21 от мощности сигнала по входу усилителя (см. рис. 3а), определены точки P1 и Pmax (максимальная мощность по выходу усилителя) для различных частот входного сигнала. Программное обеспечение позволяет получать эти же характеристики в панорамном режиме сканирования по частоте (см. рис. 3б).

Рисунок 3. Зависимости P1 от входной мощности усилителя (а); зависимости P1 и максимальной мощности по выходу усилителя от частоты (б), полученные при помощи разработанного аппаратно-программного комплекса.
В ряде случаев представляет интерес оценивание относительных амплитуд гармонических составляющих выходного сигнала в зависимости от частоты при фиксированном уровне входной мощности. Разработанный аппаратно-программный комплекс позволяет измерять до пяти гармоник выходного сигнала (см. рис. 4а), их количество ограничивается, в основном, частотным диапазоном используемого ВАЦ. Также возможно измерение интермодуляций 3-го и 5-го порядков при подаче на вход усилителя суммы сигналов различной частоты с двух источников (см. рис. 4б).

Рисунок 4. Зависимости гармонических составляющих выходного сигнала усилителя (а) и интермодуляций (б) от частоты, полученные при помощи разработанного аппаратно-программного комплекса.
5. Заключение
Применение разработанного аппаратно-программного комплекса для автоматизации измерения параметров усилителей позволяет ускорить проектирование сложных электронных систем, упрощает труд инженера-проектировщика и минимизирует составляющие погрешности, обусловленные как ошибками человека, так и физическим рассогласованием измеряемого устройства и портов ВАЦ. Комплекс прошел успешную апробацию на площадке ООО «НПК ТАИР» при массовом измерении характеристик широкополосных усилителей мощности в диапазоне до 44 ГГц.
Реализация измерительных стендов с двумя генераторами ВЧ сигнала позволила производить измерения в «горячем» режиме работы, в том числе параметра S22, необходимого для коррекции рассогласования выхода исследуемого усилителя.
Входа измерительного приёмника ВАЦ. Разработанный адаптивный алгоритм поиска точки однодецибельной компрессии усилителя позволил с высокой точностью (до 0.03 дБм) определять P1 усилителя, что обеспечивается адаптивным шагом качания по мощности.
Список литературы
К.С. Жохов, А.В. Димаки, М.В. Синогин
1. Введение
Одним из самых распространенных типов СВЧ-устройств являются усилители мощности, используемые во множестве отраслей: от медицины и измерительной техники до аэрокосмических технологий. Для применения усилителей мощности в схемах необходимо знать их характеристики, в том числе: выходную мощность, коэффициент усиления, гармоники и интермодуляционные составляющие выходного сигнала. Эффективное получение данных характеристик возможно при помощи векторных анализаторов цепей (ВАЦ) за счет применения векторной коррекции и других стандартных калибровок. Несмотря на это, «сырые» измерения мощности и S-параметров, получаемые ВАЦ, не дают исчерпывающей информации о характеристиках усилителей, в частности, из-за наличия рассогласования по входу и выходу исследуемого усилителя с портами ВАЦ, а также в связи с необходимостью дополнительной математической обработки результатов измерений [1]. Сказанное обусловливает необходимость создания программно-аппаратного комплекса для автоматизированного измерения параметров усилителей. Такой комплекс должен позволять в автоматическом режиме учитывать рассогласование по входу и выходу усилителя с портами векторного анализатора цепей, обеспечить высокую точность определения точки компрессии и высокую скорость измерений с возможностью определения параметров усилителя в «горячем» режиме работы, а также удобный интерфейс пользователя.
2. Описание измерительной установки
В ООО «НПК ТАИР» разработан программно-аппаратный комплекс для автоматизированного измерения рабочих параметров усилителей мощности, включающий в себя измерительный стенд на основе одного или двух ВАЦ, управляющую ЭВМ и специализированное программное обеспечение. В зависимости от требований к точности измерений и имеющихся в наличии ВАЦ возможны различные конфигурации измерительных стендов. В простейшем случае измерительный стенд включает в себя один двухпортовый ВАЦ, к портам которого подключается исследуемый усилитель при помощи соединительных кабелей. Такой стенд может быть реализован на основе ВАЦ производства ООО «Планар» C1220 с диапазоном частот до 20 ГГц или S50244 с диапазоном частот до 44 ГГц [2, 3]. Несмотря на простоту и доступность данного стенда, он обладает существенным ограничением – невозможность измерения S-параметров усилителя в «горячем» режиме работы, а именно коэффициента отражения S22 по выходу усилителя под нагрузкой, необходимого для коррекции рассогласования измерительного приёмника и выхода усилителя. При использовании одного двухпортового прибора при измерении S22 подача сигнала с первого порта отключается и вместо этого подаётся сигнал на второй порт. В результате усилитель не принимает никакого входного сигнала и измерение происходит в «холодном» режиме, что не соответствует реальной рабочей ситуации.
Для получения корректных значений параметра S22, соответствующих работе усилителя под нагрузкой, требуется реализовать «горячий» режим измерения, при котором усилитель принимает входной сигнал на частоте f1, в то же самое время выполняется измерение отражения по выходу усилителя на частоте f2 = f1 + Δf. Значение Δf должно быть выбрано таким, чтобы значение S22 на частоте f1 не слишком отличалось от его значения на частоте f2. С другой стороны, чтобы гарантировать достаточное разделение сигналов, частотный промежуток Δf должен быть в три-пять раз больше полосы пропускания фильтра ПЧ.
В программном обеспечении по умолчанию, значение Δf составляет 100 МГц. Для реализации измерений усилителей мощности в «горячем» режиме работы необходим измерительный стенд с двумя генераторами ВЧ сигнала, реализованный на базе пары двухпортовых ВАЦ или одного четырехпортового ВАЦ с двумя источниками, например, ВАЦ C2420 производства ООО «Планар» [2]. Схема стенда с двумя двухпортовыми ВАЦ представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Измерительный стенд с двумя двухпортовыми ВАЦ.
Для корректной работы данного измерительного стенда необходимо синхронизировать работу анализаторов: путем соединения выхода Ext Trig Out первого ВАЦ со входом Ext Trig In второго ВАЦ. В случае использования стенда с одним четырехпортовым ВАЦ необходимо обеспечить синхронную перестройку частоты двух встроенных генераторов ВЧ сигнала. Схема измерительного стенда с одним четырехпортовым ВАЦ, имеющим два источника ВЧ сигнала, представлена на рис. 2.
Использование приборов с внешними перемычками с прямым доступом к приёмникам позволяет модифицировать схему выдачи и приема сигнала для специальных измерительных задач. Например, может потребоваться использование дополнительного предусилителя, если стандартной выходной мощности ВАЦ недостаточно для выведения измеряемого усилителя мощности в рабочий режим.

Рисунок 2. Измерительный стенд с четырехпортовым ВАЦ.
Известно, что реальная зависимость выходной мощности от входной является нелинейной. Уровень мощности P1, при котором отличие выходной мощности от линейной зависимости составляет 1 дБм, представляет значительный интерес при проектировании усилительных трактов. При измерении точки компрессии P1 возникает проблема ограничения точности получаемого результата шагом качания мощности по входу усилителя. Для решения данной проблемы реализован адаптивный алгоритм поиска P1, который включает следующие основные шаги:
1. Получение «грубой» оценки P1 за одно качание по мощности;
2. Разделение участка ΔP1 ± Pi на 10 равных отрезков;
3. Проведение поточечного измерения Po на участке диапазона ΔP1 ± Pi;
4. Поиск уточненной оценки P1 в измеренном узком диапазоне мощностей;
5. Если значение модуля разницы измеренной выходной мощности и линейной аппроксимации удовлетворяет заданной точности, то поиск заканчивается; если нет, то алгоритм возвращается к пункту 2 уже вблизи новой P1.
Вне зависимости от желаемой точности нахождения P1, число повторений цикла не может превышать 10, что исключает «зацикливание» алгоритма, например, вследствие влияния шумов измерений.
Для повышения точности результатов измерения параметров усилителей применяется коррекция рассогласования по входу и выходу усилителя с портами ВАЦ. С этой целью во время выполнения калибровки выходной мощности выполняется расчет составляющих трекинга опорного приемника RRF по формуле (1) и составляющих трекинга измерительного приемника BTF по формуле (2):

Реализованная коррекция рассогласования позволила уменьшить максимальную абсолютную ошибку измерения выходной мощности с 1,5 дБм до 0,03 дБм.
3. Выполнение калибровок измерительного стенда
Для достижения требуемой точности измерений необходимо выполнить ряд калибровок. Процесс выполнения калибровок автоматизирован средствами разработанного управляющего программного обеспечения, в котором для каждой калибровки отображается схема соединений стенда, подключений мер и измерительных устройств, а также приведен список шагов, необходимых для выполнения данной калибровки. До начала проведения калибровок необходимо задать следующие параметры анализатора:
1) начальное и конечное значение частотного диапазона (Гц);
2) количество измеряемых частотных точек;
3) мощность, на которой будет выполняться калибровка (дБм);
4) полоса фильтра ПЧ (Гц).
Калибровки необходимо выполнять строго по очереди. Для управления и мониторинга их состояния в программе выделена специальная область во вкладке «Калибровки». После проведения первой калибровки возможность редактирования калибровочных параметров блокируется для того, чтобы все калибровки выполнялись строго в одном и том же диапазоне параметров анализатора. Блокировка калибровочных параметров снимается в том случае, если пользователь сбросит все сделанные калибровки.
В комплект калибровок измерительного стенда входят:
1. Полная двухпортовая векторная калибровка по сечениям подключения измеряемого усилителя;
2. Измерение потерь в коаксиальном переходе (адаптере), используемом при подключении измерителя мощности;
3. Калибровка выходной мощности основного генератора ВЧ сигнала;
4. Калибровка опорного приёмника;
5. Опциональные калибровки для измерения гармоник, интермодуляционных искажений и точек их пересечения включают:
6. Калибровка выходной мощности вспомогательного генератора ВЧ сигнала;
7. Калибровка приёмника.
После выполнения всех необходимых калибровок можно переходить к измерению параметров исследуемого усилителя.
4. Результаты измерения характеристик усилителя
Реализованный аппаратно-программный комплекс был успешно применен для исследования характеристик СВЧ-усилителя ADT2-0222, разработанного в ООО «НПК ТАИР». Использовалась схема измерительного стенда с двумя двухпортовыми ВАЦ, приведенная на рисунке 2. Были получены зависимости выходной мощности и коэффициента передачи S21 от мощности сигнала по входу усилителя (см. рис. 3а), определены точки P1 и Pmax (максимальная мощность по выходу усилителя) для различных частот входного сигнала. Программное обеспечение позволяет получать эти же характеристики в панорамном режиме сканирования по частоте (см. рис. 3б).

Рисунок 3. Зависимости P1 от входной мощности усилителя (а); зависимости P1 и максимальной мощности по выходу усилителя от частоты (б), полученные при помощи разработанного аппаратно-программного комплекса.
В ряде случаев представляет интерес оценивание относительных амплитуд гармонических составляющих выходного сигнала в зависимости от частоты при фиксированном уровне входной мощности. Разработанный аппаратно-программный комплекс позволяет измерять до пяти гармоник выходного сигнала (см. рис. 4а), их количество ограничивается, в основном, частотным диапазоном используемого ВАЦ. Также возможно измерение интермодуляций 3-го и 5-го порядков при подаче на вход усилителя суммы сигналов различной частоты с двух источников (см. рис. 4б).

Рисунок 4. Зависимости гармонических составляющих выходного сигнала усилителя (а) и интермодуляций (б) от частоты, полученные при помощи разработанного аппаратно-программного комплекса.
5. Заключение
Применение разработанного аппаратно-программного комплекса для автоматизации измерения параметров усилителей позволяет ускорить проектирование сложных электронных систем, упрощает труд инженера-проектировщика и минимизирует составляющие погрешности, обусловленные как ошибками человека, так и физическим рассогласованием измеряемого устройства и портов ВАЦ. Комплекс прошел успешную апробацию на площадке ООО «НПК ТАИР» при массовом измерении характеристик широкополосных усилителей мощности в диапазоне до 44 ГГц.
Реализация измерительных стендов с двумя генераторами ВЧ сигнала позволила производить измерения в «горячем» режиме работы, в том числе параметра S22, необходимого для коррекции рассогласования выхода исследуемого усилителя.
Входа измерительного приёмника ВАЦ. Разработанный адаптивный алгоритм поиска точки однодецибельной компрессии усилителя позволил с высокой точностью (до 0.03 дБм) определять P1 усилителя, что обеспечивается адаптивным шагом качания по мощности.
Список литературы
- Дансмор Д.П. Измерения параметров СВЧ устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей – М.: Техносфера, 2018. – 736 с.
- Измерители комплексных коэффициентов передачи и отражения/векторные анализаторы цепей [Электронный ресурс]. – https://planarchel.ru/catalog/analizatory_tsepey_vektornye/.
- Руководство по эксплуатации и технические характеристики векторных анализаторов цепей серии Cobalt. – Планар, 2019 – 103 с.
Документы
Измерение параметров усилителей
522,9 кб
Товары
Все
2
Анализаторы цепей векторные серии Компакт
1
Анализаторы цепей векторные серии Кобальт
1