СОВРЕМЕННЫЙ МЕТОД ПРОВЕРКИ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕКТОРНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ЦЕПЕЙ

В статье представлен новый метод проверки точностных характеристик векторных анализаторов цепей. Основным преимуществом метода является упрощение и снижение стоимости работ при поверке, калибровке и контроле качества функционирования анализаторов. На его основе создан нормативный документ МИ 3411-2013. Приведен пример автоматизации измерений согласно МИ 3411-2013 на базе отечественных рефлектометров.

Развитие электроники непрерывно стимулирует создание радиотехнических устройств с улучшенными характеристиками и функционалом. Постоянно совершенствуется инфраструктура их разработки, производства и обслуживания. Электронные устройства внедряются во все сферы человеческой деятельности. Быстро растет номенклатура и количество таких устройств. Совместно с ними развиваются приборостроение и метрология, которые являются гарантом их качества. Увеличивается гамма измерительных приборов, от «бесконечно» дорогих до приборов эконом-класса. Каждый класс требует методов подтверждения характеристик в соответствии с функционалом, точностными показателями и ценой. Появляется острая необходимость в расширении методологической базы.

В настоящей статье пойдет речь о новом методе проверки точностных характеристик векторных анализаторов цепей и его практическом применении. Основным преимуществом метода является упрощение и снижение стоимости работ при поверке, калибровке и контроле качества функционирования анализатора, за счет корректного выбора эталонного оборудования и автоматизации измерений. В работах [1, 2] приведены различные примеры использования метода. На его основе создан нормативный документ МИ 3411-2013 [3]. Это единственный в своем роде документ по метрологии векторных анализаторов цепей. Сами анализаторы имеют огромную область применения в электронной, химической, медицинской и пищевой промышленности.

Структура и модель векторного анализатора цепей

На рисунке 1 приведена типичная структурная схема векторного анализатора цепей (ВАЦ), имеющего два измерительных порта. Основной функцией такого ВАЦ является измерение комплексных коэффициентов передачи и отражения двухпортовых устройств. Для упрощения на рисунке не приведены гетеродин и блок управления, обработки данных и индикации. В структуре они также присутствуют.

В группу формирования сигнала входят два источника: синтезатор частот и гетеродин. Источники синхронизированы по частоте от одного опорного генератора. Синтезатор частот предназначен для формирования зондирующего сигнала в диапазоне рабочих частот ВАЦ. Сигнал гетеродина, смещенный по частоте относительно зондирующего на величину промежуточной частоты, необходим для преобразования (понижения) частоты.

Группа выделения сигналов, содержащая направленные ответвители или мосты,
предназначена для получения падающей и отраженной от исследуемого устройства
волн. Иногда для выделения падающей волны применяют делители мощности.

Группа приема сигнала состоит из четырех идентичных приемников: двух опорных и двух измерительных. Для радиотехнических измерений, как правило, приемники строят по супергетеродинной схеме. Они осуществляют преобразование сигналов на более низкую промежуточную частоту, усиление и фильтрацию. В состав приемников входят следующие основные элементы: малошумящий усилитель (МШУ), смеситель (СМ), фильтр нижних частот (ФНЧ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и блок цифровой обработки сигналов (блок ЦОС).

Встроенный переключатель предназначен для автоматического переключения направления зондирования сигнала, чтобы обеспечить измерение всех элементов матрицы рассеяния двухпортового устройства (четырехполюсника) за одно подключение.

К измерительным портам подключаются однопортовые или двухпортовые исследуемые устройства. К двухпортовым устройствам относятся устройства, имеющие, по крайней мере, один вход и один выход. Примерами таких устройств могут быть переходы, аттенюаторы, кабельные сборки, фильтры, усилители и т.д. Кроме этого, к данному классу устройств можно отнести и многопортовые устройства. При этом два порта такого устройства должны подключаться к ВАЦ для тестирования, а оставшиеся нагружаться определенным образом.

Систематическая погрешность измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения возникает из-за наличия искажающих адаптеров и паразитных проникновений сигналов на входы приемников.

Свойства искажающих адаптеров определены их S-параметрами, которые обозначены на рисунках 2 и 3 как ED , ER, ES, ET и EL; дополнительный индекс «F» показывает прямое направление зондирования, а «R» – обратное направление. Паразитное проникновение из источника сигнала в измерительный приемник обозначено как EX. В итоге, для двух направлений зондирования, имеем 12 параметров. По этой причине такую модель ВАЦ называют 12-параметрической.

Величины ED , ER, ES, ET, EL и EX являются ошибками, которые имеют определенный физический смысл и моделируют отражения и искажения сигналов при прохождении цепей внутри ВАЦ и различных кабельных сборок и переходов вне его. Описание ошибок приведено в таблице 1.

Величины ED , ER, ES, ET, EL и EX комплексные, безразмерные, полагаются неизменными при решении измерительной задачи на каждой фиксированной частоте и могут изменяться только при изменении частоты зондирующего сигнала в рабочем диапазоне.

Связь между измеренными комплексными коэффициентами передачи и отражения исследуемого устройства и их истинными значениями определяется следующими выражениями:

Описание метода

Принцип предлагаемого метода состоит в последовательном проведении двух калибровок одного и тоже анализатора с помощью двух разных средств калибровки и поэлементном сравнении полученных оценок ошибок.

К средствам калибровки относят механические наборы мер и электронные калибраторы.

Погрешности одного средства калибровки должны быть известны и нормированы определенным образом, то есть представлены эффективные параметры ВАЦ после калибровки.

По результатам проведения двух калибровок ВАЦ получают два вектора оценок ошибок, содержащих 10 из 12 возможных параметров, на каждой частоте измерений f:

Рекомендуемая последовательность действий при расчете погрешности

Для вычисления суммарной погрешности измерений комплексных коэффициен-тов передачи и отражения необходимо выполнить следующие действия:

• определить среднеквадратическое отклонение;

• определить относительный собственный шум приемников;

• вычислить относительный собственный шум компаратора;

• последовательно провести две или более калибровки ВАЦ с помощью одного и тоже средства калибровки, определить флуктуацию параметров искажающих адаптеров

• вычислить пределы случайной погрешности измерений модуля и фазы;

• последовательно провести две калибровки ВАЦ с помощью штатного и эталонного средства, определить эффективные параметры искажающих адаптеров;

• определить уровень паразитного проникновения сигналов на входы приемников;

• вычислить пределы систематической погрешности измерений модуля и фазы;

• вычислить пределы суммарной погрешность измерений модуля и фазы;

• приписать пределы суммарной погрешности результату измерений ̇ исследу-емого устройства;

• представить суммарную погрешность измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения в форме, указанной в эксплуатационной документации на ВАЦ конкретного типа, и сравнить с допускаемыми пределами.

Область применения МИ 3411-2013

Рекомендация распространяется на анализаторы цепей векторные и устанавливает методику определения их основных метрологических характеристик, к которым относятся:

• погрешность измерений комплексного коэффициента отражения однопортовых и двухпортовых устройств;
• погрешность измерений комплексного коэффициента передачи двухпортовых устройств.

Методика основана на методе сравнения калибровок, использование которого требует наличия эталонного набора мер или эталонного электронного модуля калибровки с известными метрологическими характеристиками.

Методика может быть использована для определения метрологических характеристик ВАЦ в волноводе с сечением, отличающимся от его измерительных портов и не указанным в описании типа (эксплуатационной документации) на него.

Также рекомендация может быть использована для разработки методов поверки и калибровки ВАЦ.

Помимо процедур верификации методика может быть применена непосредственно на рабочем месте для контроля функционирования ВАЦ.

Дополнительно, с помощью описанного подхода можно определять параметры двухпортовых устройств с малыми потерями, таких как переходы, или параметры кабелей при их различном изгибе, воздействии внешних влияющих факторов и времени.

Автоматизация измерений

На основе МИ 3411-2013 компания НПК ТАИР разработала программное обеспечение VNA Performance Test (рисунок 4) позволяющее управлять векторными рефлектометрами CABAN R54 и CABAN R140 производства компании ПЛАНАР при проведении калибровки или поверки.

Рефлектометры представляют собой полноценные векторные анализаторы цепей с одним измерительным портом и объединяют в одном малогабаритном металлическом корпусе: генераторы испытательного и гетеродинного сигналов, аттенюатор регулировки мощности, блок направленного ответвителя, двухканальный приёмник, блок управления на базе сигнального процессора и блок питания. Приборы имеют простой дружественный интерфейс, адаптированный под мобильные компьютеры и не требующий кропотливого изучения со стороны инженерного состава.

Широкие возможности автоматизации позволили организовать взаимодействие между программой VNA Performance Test и штатным программным обеспечением приборов так, чтобы на любом этапе жизненного цикла можно было просто и недорого проводить необходимые метрологические процедуры.

Все тесты выполняются в полуавтоматическом режиме с возможностью записи в файл или протокол. Форма представления результатов универсальная и соответствует рекомендациям по метрологии.

Время на проведение всех измерений уменьшается до 15 минут. При этом большая его часть тратится на подготовку используемых средств измерений.

В программе имеются все необходимые инструкции, поэтому кардинально уменьшается нагрузка на персонал, проводящий работы. Особое внимание уделено взаимодействию с пользователем — применяются самые распространенные и простые решения: кнопки, поля для ввода, таблицы и графики. Случайные действия пользователя не приведут к утрате результатов измерений или сбою в работе.

Автоматизированный метод измерений, указанный в МИ 3411-2013, позволяет снизить стоимость поверки и калибровки, поскольку для реализации используются более дешевые и распространённые эталонные средства.

При наличии необходимого эталонного оборудования, пользователь самостоятельно, в любое время и без дополнительных затрат может убедиться в качестве функционирования прибора. Параметры можно проверять избирательно, то есть только те, которые интересуют.

Используя метод, описанный в статье и в рекомендации МИ 3411-2013, можно выполнить верификацию ВАЦ с произвольным составом, определив его основные метрологические характеристики, такие как погрешности измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения.

Для реализации метода требуется дополнительный набор калибровочных мер с известными точностными характеристиками и не нужны прецизионные воздушные линии, согласованные и рассогласованные нагрузки, аттенюаторы и пр. Наборы калибровочных мер являются более распространенными и востребованными при эксплуатации по сравнению с верификационными наборами.

Метод позволяет учесть погрешность описания эталонного набора и, таким образом, обеспечить прослеживаемость результатов измерений. Кроме этого, данный метод имеет простой алгоритм реализации.

Автоматизация измерений и метрологических процедур позволит многим компаниям упростить и удешевить применение и обслуживание высокоточных приборов при их эксплуатации в самых различных сферах деятельности.

Литература

1. Заостровных С.А., Губа В.Г., Савин А.А., Быкова О.Н. Сравнительный анализ алгоритмов верификации векторных анализаторов цепей // 23-ая Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» CriMiCo’2013 (Севастополь, 8-13 сен. 2013 г.): материалы конференции / Севастополь: Вебер, 2013. С. 942-943.
2. Vladimir G. Guba, Aleksandr A. Savin, Olesia N. Bykova, Andrej Rumiantsev and Benjamin D. Maxson. An Automated Method for VNA Accuracy Verification Using the Modified Calibration Comparison Technique // 82nd ARFTG Microwave Measurement Con-ference (Columbus, Ohio, USA, November 20-21, 2013)/ P. 164-167.
3. МИ 3411-2013. Рекомендация. Анализаторы цепей векторные. Методика опре-деления метрологических характеристик. М., 2013., 54 с. (Государственная система обеспечения единства измерений).
4. Савин А.А., Губа В.Г. Определение уровня остаточной систематической по-грешности векторного анализатора цепей после выполнения однопортовой калибровки // Вестник метролога. 2009. № 4. С. 16-22.
5. Губа В.Г. Влияние точности характеризации мер калибровочного набора на по-грешность измерений однопортового векторного анализатора цепей // Вестник метро-лога. 2010. № 4. С. 24-30.

Источник: https://planarchel.ru/info/articles/vektornye_analizatory_tsepey/sovremennyy_metod_proverki_tochnostnykh_kharakteristik_vektornykh_analizatorov_tsepey/