Arinst VNA-DL 1-8800 MHz: большие задачи для маленького ВАЦ. Часть 2.
Оригинал статьи: https://vk.com/@rstepand-bolshie-zadachi-dlya-malenkogo-vac-part2
В первой части я писал об опыте использования компактного векторного анализатора цепей Arinst VNA-DL 1-8800 MHz (далее просто ВАЦ) для входного контроля полосовых ПАВ-фильтров для абонентских терминалов системы связи TETRA. В этот раз будет рассказ об использовании ВАЦ для входного контроля дуплексера для базовых станций системы TETRA.
Тестирование фильтров (ППФ) дуплексера
Как сказано в Википедии: «Дуплексер (дуплексный фильтр, от слова дуплекс, частотно-разделительный фильтр) — устройство, предназначенное для организации дуплексной радиосвязи с использованием одной общей антенны как для приёма, так и для передачи. Имеет три порта: для подключения антенны, радиоприёмного тракта (радиоприёмника) и радиопередающего тракта (передатчика). Широко используется для построения дуплексных ретрансляторов.
Дуплексер содержит два фильтра с непересекающимися окнами прозрачности амплитудно-частотных характеристик: окно прозрачности АЧХ одного фильтра соответствует полосе частот тракта приёма, другого — полосе частот тракта передачи. Используется пара полосно-пропускающих фильтров, реже — пара из ФНЧ и ФВЧ. «Антенные» порты фильтров соединяются параллельно, образуя антенный порт дуплексера. Фильтры проектируются и настраиваются совместно, поскольку простое соединение работоспособных фильтров приведет к расстройке каждого из них».
На рис.1 изображен дуплексер, который подвергается входному контролю. В нашем случае контроль проводится после климатических испытаний (мучений) дуплексера в камере тепла и холода.
Чтобы были боле-менее понятны габариты дуплексера, на рис.2 приведено фото совместно с ВАЦ.
Основной вопрос при использовании Arinst VNA-DL 1-8800 MHz — хватит ли ВАЦ динамического диапазона, чтобы показать развязку между полосовыми фильтрами? Все-таки развязка не менее 80 дБ. По документации (рис.3) должно хватить. Но очень смущает полоса ПЧ в 20 МГц. Может, удастся использовать более широкую полосу, чтобы свипирование работало побыстрее. Проверим!
Прежде, чем обмерять дуплексер, интересно оценить характеристики полосовых фильтров, из которых состоит дуплексер (см. рис.4 и рис.5).
Очень удобная опция ПО Arinst Virtual Lab - добавлять графики в память, чтобы потом можно было, например, сравнить их. На рис.5 одновременно представлены характеристики приемного и передающего ППФ (активной является трасса для передающего ППФ, на ней активны маркеры). Из графиков видно, что приемный ППФ, пусть и «на бровях», но уложился в требуемые лимиты (рис.4), а вот передающий ППФ не пережил перепад от -40 до +85 градусов и подразвалился (рис.5).
Как видно из изображений (рис.4 и рис.5), уровень в -90 дБ вполне можно получить и при ПЧ 50 Гц. При этом свипирование идет пошустрее, чем при полосе в 20 Гц. Видимо, разработчики перестраховались и дали в документации заниженные значения динамического диапазона.
В принципе уже понятно, что при таких характеристиках ППФ сам дуплексер входной контроль не пройдет. Но методику входного контроля для производства все равно нужно писать, поэтому погнали…
Тестирование дуплексера
Дуплексер — это уже трехпортовое устройство. Поэтому оценить его характеристики за один заход, к сожалению, не получится. Для устройства с n-портами нужно провести (n(n-1))/2 измерений, используя двухпортовый ВАЦ. Т.е. для того, чтобы оценить характеристики трехпортового устройства, нужно провести (3*(3-1))/2 = 3 измерения, т.е. Port 1 - Port 2, Port 1 - Port 3, Port 2 - Port 3. Но это для ВАЦ с двумя активными портами.
Сразу нужно оговориться, что первый порт дуплексера — это общий порт, второй порт — порт ППФ приемного канала, третий порт — порт ППФ передающего канала.
У Arinst VNA-DL 1-8800 MHz активным является лишь один порт, к сожалению. Поэтому для того, чтобы получить честную оценку, нужно проводить отдельные измерения в каждом направлении, т.е. Port 1 - Port 2, Port 2 - Port 1 и т.д., т.е. делать 6 измерений! За такой подход мужики с производства мне точно спасибо не скажут.
Как можно оставить всего три замера? Очевидно, что при условии, когда S_P1P2 = S_P2P1, S_P1P3 = S_P3P1, S_P2P3 = S_P3P2, т.е. коэффициент передачи S21 = S12. В теории так бывает.
В приведенной выше записи есть некоторая вольность с моей стороны и заключается она в том, что речь идет об S-параметрах, полученных для ситуации, когда на первом месте стоит именно тот порт дуплексера, к которому подключается активный порт ВАЦ, т.е. сигнал распространяется от первого порта ко второму P1→P2 (S_P1P2) или от второго порта к первому P2→P1 (S_P2P1) и т.д. Это вносит некоторую путаницу в излагаемый материал, т.к. не соответствует принятой для S-параметров записи. Но поскольку мы рассматриваем ВАЦ только с одним активным портом, то так на мой взгляд, будет проще понять, о каком коэффициенте передачи идет речь, т.к. с точки зрения Arinst VNA-DL 1-8800 MHz это всегда будет S21.
Конечно, очень хочется сказать, как математики, давайте примем, что S_P1P2 = S_P2P1 и упростим себе жизнь. Но прежде, чем так сделать, нужно убедиться опытным путем, что мы имеем на это право. Поэтому давайте посмотрим, насколько отличаются друг от друга S_P1P2 и S_P2P1 (рис.6), S_P1P3 и S_P3P1 (рис.7).
Если смотреть на график коэффициента передачи, то кажется, что S_P1P2 = S_P2P1 (рис.6, первый слайд). Чтобы разглядеть детали, на рис.6 (второй слайд) крупно показана полоса пропускания. И вот тут видна разница. Но разница небольшая, поэтому можно допустить, что S_P1P2 = S_P2P1.
А вот с S_P1P3 и S_P3P1 все несколько хуже, т.к. ППФ передающего канала ощутимо подразвалился (см.рис.5) после испытаний. Но в идеале, когда ППФ настроен правильно, S_P1P3 = S_P3P1. Поэтому в данной ситуации, для упрощения рабочего процесса, будем полагать, что равенство соблюдается.
Для S_P2P3 и S_P3P2 проводить подобные сравнения я смысла не вижу, т.к. это развязка между каналами дуплексера (< -80 дБ) и разница в пару децибел тут особой роли не играет (рис.8).
Таким образом, оставляем всего три замера для дуплексера. Давайте подумаем, какие это должны быть измерения?
Поскольку активный порт у ВАЦ всего один, то при каждом измерении нужно на только оценивать коэффициент передачи, но и коэффициент отражения. Поэтому можно предложить такую схему: P1→P2 (S_P1P2); P2→P3 (S_P2P3); P3→P1 (S_P3P1). Таким образом, за три захода получится оценить все необходимые хар-ки дуплексера (рис.9 - рис.14). Измерения характеристик дуплексера отображаются на фоне характеристик отдельных фильтров (см. рис.4 и рис.5).
Порадовало, что ВАЦ хватило динамического диапазона, чтобы оценить характеристики дуплексера. Очень пригодился функционал записи результатов измерения в память и отображения с текущими измерениями (более подробно о функционале Arinst Virtual Lab я писал тут). Как я уже писал выше, дуплексер развалился после климатики. Поедет обратно к производителю. Но поставленную задачу удалось выполнить.
Как собрать полную матрицу S-параметров?
После того, как проведены все необходимые измерения, было бы неплохо собрать их в один файл, т.к. при общении между инженерами гораздо удобнее результаты измерений отправить в виде файла *.s3p, чем писать отчет с большим количеством изображений, поясняя, что есть что.
Подробно о том как собрать полную матрицу трехпортового устройства, я писал в статье «Измерение матрицы рассеяния многопортового устройства двухпортовым векторным анализатором цепей». Но тут есть одна оговорка — алгоритм подходит для измерений, проведенных с помощью ВАЦ с двумя активными портами. В рассматриваемом случае ВАЦ имеет только один активный порт. Т.е. в процессе измерений матрица S-параметров имеет только один ненулевой столбец (S11 и S21). Второй столбец (S12 и S22) заполнен нулями (рис.15).
Нужно еще раз напомнить, что были сделаны и некоторым образом обоснованы следующие допущения: S_P1P2 = S_P2P1, S_P1P3 = S_P3P1, S_P2P3 = S_P3P2. Именно в этом случае можно проводить всего три измерения и заполнять полную S-матрицу для трехпортового устройства. Поэтому алгоритм, описанный в этом материале, изменяется следующим образом (рис.16):
т.е. в каждом случае фигурируют только S11 и S21.
P.S. В заключении хотелось бы попросить разработчиков добавить в Arinst Virtual Lab возможность настраивать цвета, формат и толщину графиков и фона для них, чтобы можно было получить изображение, более удобное для восприятия (например, как на рис.17). Понимаю, что это дело вкуса и привычки, но очень не хватает такого функционала.
