руктивное исполнение позволяет включать в модуль экранированные секции, что является актуальным при разработке изделий, совмещающих в себе чувствительные узлы аналогового ввода сигналов и вычислительные узлы на микропроцессорах, которые, как известно, обладают не очень хорошей электромагнитной совместимостью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Теплопроводящие электроизоляционные эластичные силиконовые листовые материалы, прокладки и подложки НОМАКОН КПТД-2, КПТД-2М Nomacon.ru: сайт организации по производству теплопроводящих диэлектрических материалов для электроники. — 2012. <ИИр:// nomacon.ru/products/thermally-insulating-materials/listovye-kptd-2>.
2. Техническая документация на разъемы серии 884: сайт фирмы-изготовителя 8АМТЕС. — 2012. <Ы1р://
www.samtec.com/technical-specifications/default.aspx7series Master=SS4> (дата обращения: 30. 09. 2013).
3. Арзамасов Б. Н., Брострем В. А., Буше Н. А. и др. Конструкционные материалы. Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. — С. 234—272.
4. ГОСТ 21631—76. Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия. — М.: Издательство стандартов, 1993. — С. 3—5.
Работа выполнена на кафедре "Информационные радиосистемы" Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева.
Евгений Александрович Букварев — ст. преподаватель кафедры;
® (831) 436-78-80
E-mail: bukvarev@nntu.nnov.ru
Татьяна Викторовна Букварева — инженер кафедры;
E-mail: bukvareva@rambler.ru
Алексей Александрович Кузин — вед. инженер кафедры.
E-mail: kuzin-alex@nntu.nnov.ru □
УДК 621.385.6.621.396.969.1
ИЗМЕРЕНИЕ Э-ПАРАМЕТРОВ НЕЛИНЕЙНЫХ СВЧ-ЦЕПЕЙ МЕТОДОМ ПРОСТРАНСТВЕННО УДАЛЕННОЙ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКИ
С. М. Никулин, А. И. Торгованов
Рассмотрен метод пространственно удаленной переменной нагрузки для измерения 8-параметров нелинейных СВЧ-цепей. Обсуждается вариант практической реализации метода. Эффективность предлагаемого решения демонстрируется на примере линейных цепей: полосно-пропускающего фильтра и малошумящего усилителя. Приведены результаты измерений 8-параметров усилителя в режиме большого сигнала предлагаемым методом и методом "горячего 822". Обсуждаются различные варианты обработки данных для восстановления искомых величин и перспективы применения метода пространственно удаленной переменной нагрузки в практике СВЧ-измерений.
Ключевые слова: нелинейная цепь, 8-параметры, измерения, метод пространственно переменной удаленной нагрузки, векторный анализатор цепей, тюнер импеданса.
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость определения параметров полупроводниковых устройств СВЧ (транзисторы, диоды, устройства на их базе: усилители, смесители) возникает в связи с тем, что многие производители активных СВЧ-радиоэлементов не предоставляют информации об их 8-параметрах, а также моделей для их последующего использования в САПР. Особенно остра нехватка подобного рода моделей для отечественных СВЧ-ком-
понентов. Существенно и то, что характеристики транзисторов сильно зависят от режима работы (непрерывный, импульсный, ключевой), питания по постоянному току и уровня мощности входного сигнала. Именно поэтому при выпуске полупроводниковых приборов, рассчитанных на работу с высокими уровнями мощности, невозможно предложить пользователям документацию, охватывающую все многообразие режимов их работы в конкретной аппаратуре и, таким об-
разом, задача определения 8-параметров нелинейных СВЧ-цепей ложиться на разработчика.
Существующие решения — измерение "горячих ¿22", [1] и Х-параметров [2, 3], реализуемые с помощью четырехпортовых векторных анализаторов цепей (ВАЦ), не отвечают оптимальному критерию цена/качество [4], и поэтому побуждают к поиску и развитию альтернативных решений.
В настоящей работе авторы развивают предложенный в [4, 5] подход к определению 8-па-раметров нелинейных СВЧ-цепей с использованием свойств пространственно удаленной нагрузки.
МЕТОД ПРОСТРАНСТВЕННО УДАЛЕННОЙ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКИ
Метод переменной нагрузки известен и успешно применяется для определения 8-пара-метров линейных устройств. Нагрузка частично отражает сигнал, а частично пропускает, и по результатам измерений входного коэффициента отражения и прямого коэффициента передачи для двух нагрузок появляется возможность определить все 8-параметры. Однако в случае нелинейной цепи данный метод дает ошибочные результаты ввиду зависимости 8-параметров от импеданса нагрузки. Задачу удается решить, ус-
тановив между нелинейной цепью и переменной нагрузкой длинную линию, например, отрезок коаксиального кабеля.
Процедуру калибровки и измерений иллюстрирует рис. 1. Для определения 8-параметров следует провести полную векторную калибровку первого порта векторного анализатора цепей методом трех эталонов (08М) на выходе соединительного кабеля. Затем подключить кабель ко второму порту и выполнить измерения входных коэффициентов отражения согласованной и отражающей нагрузок Г1и, Г2п и прямых коэффициентов передачи К1и, К2п. Подключить измеряемое устройство между кабелем и вторым портом векторного анализатора цепей и измерить входные коэффициенты отражения Г!, Г2 и передачи К}, К2.
Выражения для коэффициентов передачи К}, К2 измеряемого устройства с удаленной согласованной и отражающей нагрузкой связаны с 8-па-раметрами двухпортовой цепи известными соотношениями:
К = ¿21 К1 п
1 - г
К = ¿2 1 К2п
22 1 п
1 -
(1)
22 2п
Полученные уравнения позволяют определить прямой коэффициент передачи ¿21 и ко-
ВАЦ
ВАЦ
-е-
-га
-Пя~1
-га
ВАЦ
Ж1 Ч ГЛ \\ ГЛ \ В2> .ч Ж ^ СЛ \ Т2„^ \ ГЛ \\ В2> гл
4 ь ) ' // ^ и у ( I ^ 1 " ^ клг
ВАЦ
ВАЦ
А,
К1 Г1
7
о » о »—»—в
АЧ
~ж
К2
(А2 В*
О » ^ О п» о
Рис. 1. Процедура калибровки и измерений методом удаленной переменной нагрузки:
ВАЦ — векторный анализатор цепей
28
Бепвогв & Буагвтв • № 11.2014
эффициент отражения на выходе измеряемой цепи ¿22:
¿21 =
¿22 =
_ К1К1{Т1 п - Т1п)
К1пК2Г2п - К2пК1 Г1п '
К1п К2 - К2 п К1 К1пК2Г2п - К2пК1 Г1п
Выражения для коэффициентов отражения Г1, Г2:
Г1 = ¿11 + (К1Г1и/К1и)^12;
Г2 = ¿ц + (К2Г2„/К2И)^12 (2)
позволяют восстановить входной коэффициент отражения ¿ц и обратный коэффициент передачи ¿12 цепи:
¿11 =
= ( Г 1 К2 Г 2п/К2п ) - ( Г 2К1 Г 1 п/Кщ) ,
(К2Г2п/К2п) - (К1Г1 п/К1п)
¿12 =
Г2 - Г1
(К2Г2п/К2п) - (К1Г1п/К1п)
(3)
Следует подчеркнуть, что в случае измерения нелинейной цепи полученные результаты будут иметь вид квазипериодических функций частоты, локализованных в окрестности истинных функциональных зависимостей. Это объясняется зависимостью 8-параметров не только от уровня входного сигнала, но и от подключенной выходной нагрузки. Использование кабеля стандартного волнового сопротивления, создающего эффект удаленной нагрузки, позволяет получить удовлетворительный результат путем цифровой фильтрации данных.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА
Для проведения эксперимента была собрана схема изменения, состоящая из ВАЦ R&S 2УЛ24, механического трансформатора сопротивлений ТС 2 — 12 (ЦНИИИА) в качестве переменной нагрузки и кабеля НиЪег Suhner МиНуАех длиной 93 см. Затем производились полная векторная калибровка векторного анализатора 2УЛ24 и подключение коаксиального кабеля и тюнера импеданса в качестве удаленной нагрузки.
Последовательность проведения эксперимента:
1. Измерение Г1И, К^. Сигнал беспрепятственно проходит на рефлектометр второго порта. Емкостная неоднородность после длинной линии отсутствует (пробник в трансформаторе сопротивлений полностью поднят вверх).
2. Измерение Г2И, К2И. Часть сигнала отражается от емкости, а часть сигнала проходит на второй порт векторного анализатора. Пробник трансформатора сопротивлений смещается к выходу и опускается до тех пор, пока коэффициент отражения в середине частотного окна, в котором будут выполняться измерения, не достигнет уровня ¿ц « —10 дБ, что эквивалентно нагрузке в 24 Ом.
3. Измеряемое устройство ИУ включается в схему измерений перед длинной линией. Измеряются параметры Г2, К2.
4. Пробник трансформатора сопротивлений полностью поднимается, чтобы сигнал полностью проходил на второй порт ВАЦ. Измеряются параметры Г1, К[.
Процесс измерений проиллюстрирован на рис. 2.
J
ВАЦ
I.
А, Л
К1и
А2_ В2
. Г1 пХ .
сГ"» о е
5П= 0 дБ
Г <3- К2и Г2
и > ^ у ь Ян
ВАЦ
I Ж.
-10 дБ
ВАЦ
1 С
_А,
Л
К2
311 _ ггу |
о » [►! » о ^/^е
в2.
5П= 0 дБ
ВАЦ
г ,В1 I V \\ N К1 ^ А2
1 ) » ✓ ь '(/ X' ^ £„ = -10 дБ
Рис. 2. Реализация метода удаленной нагрузки с помощью трансформатора сопротивлений -Датчики и Системы • № 11.2014
Рис. 3. Сравнение 8-параметров фильтра, полученных традиционным методом и методом переменной нагрузки
10
-10 -20 -30 -40
Filter S11
Й
-50
J
t
В
дд
DB(|Eqn(cIS11)|) VarLoadEquetion
-3-DB(|Eqn(vIS11)|) VarLoadEquetion
0,01 5,01 10,01 15,01 20,01 24 Frequency (GHz)
Filter S21
-10
-20
-30
-40
-50
/
n
n
0,01 1,01 2,01 3,01 Frequency (GHz)
DB(|Eqn(cIS21)|)
VarLoadEquetion DB(|Eqn(vIS21)|) VarLoadEquetion
it
4,01
10
-10
-20
-30
Filter S12
DB(|Eqn(cIS12)|) VarLoadEquetion DB(|Eqn(vIS12)|) VarLoadEquetion
/у.
.2
-I
0,01 2,01 4,01 6,01 Frequency (GHz)
8,01
10
0,01
5,01 10,01 15,01 Frequency (GHz)
20,01 24
0
0
5
1
0
Последовательность измерений, описанная выше, позволяет повысить повторяемость значений импеданса и уменьшить погрешности при использовании трансформатора сопротивлений в качестве переменной нагрузки.
Проверка работоспособности метода проводилась для трех устройств:
— полосовой фильтр на микрополосковой линии как пример линейной цепи с большим динамически диапазоном измеряемых параметров;
— усилитель в линейном режиме; полученный результат сравнивался с 8-параметрами, измеренными традиционным методом;
— усилитель в нелинейном режиме; сравнение с методом "горячего ¿22".
Результаты измерений приведены на рис. 3—8.
8-параметры микроплоскового фильтра (рис. 3) измерены в широком диапазоне частот, что демонстрирует потенциальную широкопо-лосность метода удаленной нагрузки. Кривая 1 соответствует традиционным измерениям, кривая 2 — методу переменной нагрузки.
Видно, что ¿21 восстановился практически точно, ¿
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.