ИЗМЕРИТЕЛИ КОМПЛЕКСНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ОТРАЖЕНИЯ

Обзор-804, Обзор-804/1
Обзор-808, Обзор-808/1

Наборы калибровочных мер

ЧАСТЬ 1. ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ НАБОРОВ МЕР

Роль калибровки

Здесь и далее для измерителей комплексных коэффициентов передачи и отражения Обзор-804, Обзор-804/1, Обзор-808, Обзор-808/1 будет использоваться обозначение векторный анализатор цепей, сокращенно ВАЦ.

В российской метрологии под калибровкой может пониматься несколько различных процедур. В настоящем документе калибровка — это штатная процедура настройки прибора перед использованием. В таком понимании она схожа по назначению с установкой нуля для некоторых радио-измерительных приборов.

Комплексные коэффициенты передачи и отражения представляют собой элементы матрицы рассеяния. В документе они будут обозначены, как S-параметры.

Измерение S-параметров устройств — это задача, для решения которой оптимально подходит векторный анализатор цепей.

ВАЦ является измерительной системой, состоящей из компаратора, кабелей и переходов, наборов калибровочных мер или электронных модулей калибровки, а также программного обеспечения.

Для упрощения, модель ВАЦ представляют в виде идеального измерителя и искажающих адаптеров и считают, что систематическая погрешность измерений возникает именно из-за их наличия. Свойства адаптеров определены их S-параметрами, которые называют факторами погрешности. Факторы имеют определенный физический смысл и моделируют отражения и искажения сигналов при прохождении цепей внутри ВАЦ, различных кабелей и переходов вне его.

Из модели следует, что результат измерений — это комбинация S-параметров исследуемого устройства и S-параметров искажающих адаптеров, т.е. факторов.

Лишь устранив факторы, пользователь может получить результат измерений параметров исследуемого устройства с требуемой точностью.

Процесс, в результате выполнения которого математически извлекаются комплексные оценки факторов погрешности в соответствии с моделью – это есть калибровка ВАЦ. Процесс исключения факторов при измерении называют коррекцией.

Связь метода калибровки с набором мер

КАЛИБРОВКА С НЕИЗВЕСТНОй ПЕРЕМЫЧКОЙ

С помощью ВАЦ могут быть выполнены измерения S-параметров невставляемых устройств с высокой точностью.

К невставляемым устройствам относят все двухпортовые устройства, которые имеют однополые соединители любого типа, а также разнополые или однополые соединители разных типов.

Для измерений невставляемых устройств нужно выполнить специальную двухпортовую калибровку с неизвестной перемычкой. Такая калибровка поддерживается программным обеспечением ВАЦ компании ПЛАНАР.

В качестве меры «Неизвестная перемычка» можно использовать обратимые двухпортовые устройства, такие как переход, кабельная сборка или само исследуемое устройство, если потери в нём не превышают 10 дБ.

Калибровка – это не только механизм определения факторов погрешности, но и реальный способ управления точностью проводимых измерений. Ключом к управлению точностью является разумно выбранный метод калибровки.

Выделяют два основных семейства методов калибровки, которые обозначают «SOLT» и «TRL». В семействе SOLT применяют наборы, характеристики мер которых считают полностью известными. Для семейства TRL — достаточно набора, характеристики мер которого только частично известны, но требуются дополнительные специальные измерения. За реализацию того или иного метода отвечает программное обеспечение ВАЦ.

Выбранный метод определяет минимальное количество различных видов мер для реализации калибровки ВАЦ.

Из мер составляют наборы калибровочных мер. Электронный модуль калибровки (электронный калибратор) также состоит из ряда мер, переключаемых автоматически под управлением программного обеспечения. В зависимости от семейства в одном наборе может быть представлено несколько мер одного вида, отличающихся друг от друга сечением волновода, типом соединителя, рабочим диапазоном частот, электрической длиной и другими характеристиками, или не быть вовсе.

Калибровка выполняется за несколько этапов. На каждом этапе к измерительным портам ВАЦ подключаются некоторые меры. Чтобы не путать меры при подключении их изначально делят на классы и подклассы. Класс — это условная категория, предназначенная для объединения мер в группы, которые могут применяться на одном и том же этапе (шаге) калибровки. Под-класс — это условная категория, предназначенная для ранжирования мер в классе.

Для включения меры в состав набора необходимо рассчитать или измерить с применением эталонных средств ее параметры и создать описание в форме, указанной в документации на ВАЦ. Описание может быть приведено в сопровождающем документе, например, сертификате о калибровке, или храниться в виде файла на цифровом носителе.

Описание набора состоит из описания мер и разделения их на классы.

Пользователь может применять наборы мер, описание которых содержится в программном обеспечении ВАЦ, или самостоятельно создавать наборы из имеющихся в наличии мер для решения конкретных задач.

Калибровка с помощью пользователь-ского набора – это один из удобных способов работы с ВАЦ. В этом случае набор мер определяется поставленной задачей и не перегружен редко используемыми мерами.

Управление наборами мер предполагает три основных действия: просмотр и изменение существующих и создание новых.

Мера «Перемычка» нулевой длины не является отдельным физическим устройством и не входит, как элемент, в набор мер. Она образуется простым соединением измерительных портов, имеющих совместимые типы соединителей.

Электронные калибраторы представляют собой автоматизированные наборы мер, управляемые программным обеспечением ВАЦ. Они предназначены для упрощения процесса калибровки путем минимизации количества подключении мер и снижения ошибок оператора. Электронные калибраторы, так же как и наборы калибровочных мер, имеют описание. Состав мер электронного калибратора и формат их описания определяется производителем. Также описание может редактироваться пользователем. Электронные калибраторы являются незаменимыми средствами калибровки многопортового ВАЦ.

ЧАСТЬ 2. УПРАВЛЕНИЕ НАБОРАМИ МЕР

Управление наборами мер осуществляется с помощью программного обеспечения ВАЦ. Для этого служит развитая система меню.

Основные функции выполняются тремя программными кнопками: «Комплект мер», «Определить меры» и «Назначить классы».

Просмотр наборов

До начала проведения калибровки рекомендуется определить конфигурацию ВАЦ: выбрать требуемые кабели и переходы для подключения исследуемого устройства. После калибровки любое изменение конфигураций приводит к расширению пределов по-грешности измерений.

Для выбранного набора рекомендуется просмотреть описание его мер и проверить правильность назначения классов. Пользователь имеет возможность вносить изменения в описание набора.

Описание меры коэффициентами полинома осуществляется в соответствии с ее моделью, представленной в виде эквивалентной цепи.

ВАЦ поддерживает два вида описании мер: коэффициентами полинома и таблицей S-параметров. Описание коэффициентами полинома называют полиномиальным, а таблицей S-параметров – табличным.

Полнота описания мер определяется методом калибровки.

Для коэффициентов полинома мер ХХ и КЗ используются одни и те же столбцы, имеющие двойной заголовок. В таблицу необходимо вводить только значения коэффициентов перед десятичным множителем.

Программное обеспечение может содержать описания для 50 различных наборов мер. Часть из них к моменту первого запуска ВАЦ уже определена.

❶ Перечень всех наборов можно просмотреть в Таблице комплектов мер. Таблица появляется после нажатия из главного меню последовательности программных кнопок «Калибровка» и «Комплект мер».

В колонке «Наименование» приведен перечень всех наборов. Наименование выбранного набора будет отображаться на программной кнопке «Комплект мер».

Для удобства выбора в колонке «Описание» содержится ключевая информация о наборах: диапазон рабочих частот, тип соединителя, поддерживаемые методы калибровки, производитель и так далее.

Установленный флажок в колонке «Выбрать» указывает на набор, меры из которого будут использованы при калибровке.

Колонки «Предопределен» и «Изменен» показывают перечень наборов, описание которых было предустановлено (внесено) производителем ВАЦ, и текущее состояние этих описаний.

Значение «Да» в колонке «Предопределен» показывает, что описание набора было внесено производителем ВАЦ, значение «Нет» говорит о том, что описание набора добавлено пользователем.

Значение «Нет» в колонке «Изменен» указывает на отсутствие изменений описания набора, значение «Да» — на их наличие.

Общее количество мер, имеющихся в описании набора, отображается в колонке «Число мер».

Три последние колонки таблицы заполняются автоматически.

❷ Чтобы просмотреть описание мер выбранного набора необходимо выделить строку Таблицы комплектов мер и нажать программную кнопку «Определить меры».

После нажатия на кнопку появляется Таблица определения калибровочных мер, в которой представлены описания всех мер из набора.

Одна строка таблицы определяет одну меру.

Рекомендуется внимательно просмотреть описание всех мер и сравнить с описанием, приведенным в документации на выбранный набор. Пользователь имеет возможность вносить изменения в описание.

ИЗМЕРЕНИЕ СМЕСИТЕЛЕЙ

С помощью ВАЦ могут быть качественно выполнены измерения параметров устройств с преобразованием частоты, таких как смесители и конверторы.

Для измерений параметров отражения и передачи в комплексном виде необходимо выполнить особую калибровку. Такая калибровка поддерживается программным обеспечением ВАЦ компании ПЛАНАР.

При калибровке требуется наличие дополнительного смесителя.

Исследуемое устройство и дополнительный смеситель должны работать от одного гетеродина.

Векторные измерения параметров преобразующих устройств — это комбинация двухпортовой калибровки и функции исключения цепи.

❸ После сверки описаний всех мер следует проверить правильность назначения классов. Для появления Таблицы классов необходимо вернуться в меню «Комплект мер», нажав программную кнопку «Определить меры», и далее нажать «Назначить классы».

Разделение мер на классы и подклассы систематизирует их подключение при калибровке. Меру разрешается подключать к измерительному порту, если она определена для конкретного этапа калибровки путем назначения класса.

Следует внимательно просмотреть классы мер и сравнить их с приведенными в документации на выбранный набор. Если такая информация отсутствует, то рекомендуется проверить, что конкретному классу назначен одноименный вид меры. Например, классу «ХХ» назначена нагрузка холостого хода, классу «КЗ» — нагрузка короткозамкнутая и т.д. Пользователь имеет возможность вносить изменения.

Если набор мер поддерживает методы семейства SOLT, необходимо и достаточно, чтобы были заполнены классы «ХХ», «КЗ» и «Нагрузка» для проведения однопортовой калибровки и дополнительно класс «Перемычка» — для реализации двухпортовой.

Если набор мер поддерживает методы семейства TRL, необходимо и достаточно заполнить классы «TRL Перемычка», «TRL Отражение» и «TRL Линия/Нагрузка».

Порядок заполнения Таблицы классов приведен в разделе «Создание наборов».

В соответствии с Таблицей определения калибровочных мер тип меры «Табл. данные» предполагает только табличное описание, остальные типы мер имеют описание согласно их модели.

Калибровка с неизвестной перемычкой относится к семейству TRL. Однако, для удобства назначения классов неизвестная перемычка показана в семействе SOLT.

Для класса «TRL отражение» рекомендуется использовать короткозамкнутую нагрузку.

Изменение наборов

Пользователь имеет возможность вносить изменения:
⧐ в информацию о наборе;
⧐ в описание мер;
⧐ в назначение классов.
Редактирование набора может потребоваться:
⧐ в случае обнаружения ошибок в описании набора, его мер и классов;
⧐ при замене описания мер;
⧐ при новом назначении классов;
⧐ при изменении состава набора;
⧐ и других случаях.

MULTILINE TRL КАЛИБРОВКА

Multiline TRL калибровка обеспечивает наивысшую точность измерений. Ее используют в метрологических институтах и центрах для хранения, воспроизведения и передачи единицы величины.

Наборы мер, обеспечивающие Multiline TRL калибровку, содержат в своем составе несколько воздушных линий разной длины. Избыточность мер, используемых в одном частотном диапазоне, приводит к улучшению точности.

Воздушные линии являются мерами волнового сопротивления. Их параметры оцениваются в результате геометрических измерений. Волновое сопротивление воздушных линий должно быть равным номинальному значению волнового сопротивления линии передачи.

Multiline TRL калибровка поддерживается программным обеспечением ВАЦ компании ПЛАНАР.

❶ Редактирование информации о наборе

Чтобы начать редактирование набора, нужно из главного меню нажать программные кнопки «Калибровка» и «Комплект мер» для появления Таблицы комплектов мер.

Для изменения полей нужно выделить строку редактируемого набора и нажать кнопку «Enter» или левую кнопку манипулятора «мышь». Вести нужную информацию.

❷ Редактирование описания мер

Чтобы начать редактирование описания меры, нужно из главного меню нажать программные кнопки «Калибровка», «Комплект мер» и, выбрав требуемый набор из Таблицы комплектов мер, нажать кнопку «Определить меры».

Для изменения полей нужно выделить строку редактируемой меры и нажать кнопку «Enter» или левую кнопку манипулятора «мышь». Вести нужную информацию. Описание может быть приведено в сопровождающем документе, например, сертификате о калибровке, или храниться в виде файла на цифровом носителе.

Наименование меры будет размещено на программных кнопках при проведении калибровки. Рекомендуется в наименовании отражать вид меры, тип соединителя, иную информацию, позволяющую однозначно определить конкретную меру. Далее это поможет избежать ошибок в назначении классов и подключении мер в процессе калибровки.

Порядок добавления новой меры приведен в разделе «Создание наборов».

Не рекомендуется использовать слишком длинное наименование меры.

При проведении калибровки методом multiline TRL избыточность мер, используемых в одном частотном диапазоне, повышает точность измерении.

Допускается применение мер одного вида с перекрывающимся диапазоном рабочих частот. Они должны быть назначены одному классу.

При коррекции в перекрывающемся диапазоне частот используются измерения меры, подключенной последней.

Для отображения контекстного меню Таблицы определения калибровочных мер необходимо выделить тип меры и нажать кнопку «Enter» или левую кнопку манипулятора «мышь».

Для отображения контекстного меню Таблицы классов необходимо выделить ячейку и нажать кнопку «Enter» или левую кнопку манипулятора «мышь».

❸ Редактирование классов

Чтобы начать редактирование классов, нужно из главного меню нажать программные кнопки «Калибровка», «Комплект мер» и, выбрав требуемый набор из Таблицы комплектов мер, нажать кнопку «Назначить классы».

Для изменения нужно выделить ячейку таблицы и нажать кнопку «Enter» или левую кнопку манипулятора «мышь». В появившемся списке, выбрать меру.

Порядок назначения классов приведен в разделе «Создание наборов».

Создание наборов

По умолчанию, для хранения файлов наборов мер предназначена папка CalKit каталога Obzor80х. Место расположения этого каталога определяется при установке программного обеспечения.

Для наборов мер, внесенных производителем, можно установить параметры по умолчанию, отменив все изменения. Возврат к первоначальному описанию выполняется после нажатия программной кнопки «Восстановить комплект мер».

Пользователь должен самостоятельно выбрать тип описания меры, при наличии и полиномиального и табличного, в зависимости от точности измерении.

Пользователь может самостоятельно создавать наборы из имеющихся в наличии мер для решения конкретных задач.

Создание набора мер предполагает три основных этапа:
⧐ внесения информации о наборе;
⧐ описание всех мер;
⧐ назначение классов.

❶ Внесение информации о наборе

Внесение информации о наборе — это определение наименования и краткого описания. Новая запись выполняется в пустой строке Таблицы комплектов мер. Таблица появляется после нажатия последовательности программных кнопок «Калибровка» и «Комплект мер».

Для изменения полей нужно выделить пустую строку и нажать кнопку «Enter» или левую кнопку манипулятора «мышь».

Внести наименование и описание набора. Наименование будет отображаться на программных кнопках при калибровке. Не рекомендуется использовать слишком длинное наименование.

Описание обычно содержит ключевую информацию о наборе: диапазон рабочих частот, тип соединителя, поддерживаемые методы калибровки, производитель и так далее. Оно отображается только в Таблице комплектов мер и предназначено для удобства выбора набора.

❷ Описание мер

Чтобы создать описание меры, нужно из главного меню нажать программные кнопки «Калибровка», «Комплект мер» и, выбрав требуемый набор из Таблицы комплектов мер, нажать кнопку «Определить меры».

На следующей странице приведен алгоритм для добавления новой меры. В таблицу необходимо ввести описания всех мер набора.

Описания мер должны быть заранее известны. Они могут быть приведены в документе, сопровождающем меры, например, сертификате о калибровке, или храниться в виде файлов на цифровом носителе.

❸ Назначение классов

Назначение классов и подклассов решает несколько задач:
⧐ связывает типы соединителей мер, применяемых при калибровке, с типами соединителей измерительных портов ВАЦ;
⧐ определяет ориентацию мер при подключении;
⧐ определяет использование мер в разных методах калибровки;
⧐ дает возможность совместного использования мер.

Чтобы мера могла быть использована при калибровке, ей нужно назначить класс.

Для назначения классов нужно из главного меню нажать программные кнопки «Калибровка», «Комплект мер» и, выбрав требуемый набор из Таблицы комплектов мер, нажать кнопку «Назначить классы».

Степень заполнения Таблицы классов определяется семейством калибровки.

Порядок назначения классов:
⧐ определить семейство методов калибровки, исходя из наличия мер в наборе;
⧐ последовательно заполнить колонку «Подкласс 1» всех классов выбранного семейства. Для заполнения ячейки Таблицы классов нужно из контекстного меню выбрать меру, подходящую классу и порту. Соединители мер и порта (портов) ВАЦ должны быть совместимы.
⧐если при калибровке требуются другие меры одного класса, отличающиеся точностью описания, типом соединителя или диапазоном рабочих частот, то необходимо заполнить следующий подкласс. Всего подклассов восемь.

Границы диапазона рабочих частот определяют применимость меры. По умолчанию устанавливается максимальный диапазон от 0 Гц до 999 ГГц. Значения по умолчанию можно не изменять, если отсутствуют ограничения.

Для меры «Перемычка», образованной простым соединением измерительных портов, описание может быть представлено лишь волновым сопротивлением и диапазоном рабочих частот. В качестве описания можно использовать значения по умолчанию для меры типа «Прмч./Линия».

Для меры «Неизвестная перемычка» описание может быть представлено только диапазоном рабочих частот. В качестве описания также можно использовать значения по умолчанию для меры типа «Неизв. прмч.».

Для согласованных нагрузок в качестве описания можно использовать значения по умолчанию для мер типа «Нагрузка».

Для скользящих нагрузок в качестве описания можно использовать значения по умолчанию для мер типа «Скольз. нагр.» с указанием нижней границы диапазона рабочих частот.

Соответствие ориентации двухпортовой меры ее описанию имеет значение при калибровке. Ориентация меры указана в сопровождающем документе. Если ориентация меры при планируемом подключении не соответствует описанию, требуется применить «реверс портов». Эта функция автоматически поменяет местами значения в соответствующих колонках внесенного табличного описания.

Программная кнопка «Строгое соответствие классам» позволяет исключать из контекстного меню меры, тип которых не подходит для заполнения какого-либо класса. Меры с табличным описанием присутствуют при любом положении кнопки.

Программная кнопка «Одинаковые меры всем портам» позволяет автоматически назначать одну меру сразу двум портам.

Заключение

Описание набора мер сохраняется в программном обеспечении автоматически.

Все же рекомендуется сохранить описание набора в файл — это поможет его восстановить или передать на другое рабочее место.

Чтобы сохранить описание набора, необходимо нажать программные кнопки «Калибровка» — «Комплект мер» — «Сохранить в файл». В появившемся диалоговом окне указать имя файла и место хранения.

Для загрузки набора из файла нужно последовательно нажать программные кнопки «Калибровка» — «Комплект мер» — «Загрузить из файла». В появившемся диалоговом окне выбрать файл, содержащий описание набора.

ВНИМАНИЕ! Описание набора можно удалить, нажав кнопку «Стереть комплект мер». При удалении не производится запроса на подтверждение.

Также можно использовать функции копирования, вставки, перемещения и удаления мер в наборе. Для этого предназначены одноименные программные кнопки.

Источники: https://planarchel.ru/info/articles/vektornye_analizatory_tsepey/nabory_kalibrovochnykh_mer/