В качестве вступления...

В заметке приведен краткий обзор рефлектометров российского производства ARINST VR 23 - 6200 компании “Крокс” и CABAN R60 компании “Планар”. В качестве примера рассматривается задача измерения характеристик двухпортового устройства (кабельной сборки).

По началу я хотел назвать статью “Сравнительный обзор рефлектометров…”, но потом понял, что это было бы некорректно, т.к. рассматриваемые рефлектометры относятся к разным категориям оборудования: ARINST - серия приборов, рассчитанных на любительское применение, а CABAN - серия профессиональных приборов, внесенных в российский реестр средств измерений. Поэтому в этой статье я не пытаюсь сравнивать приборы друг с другом, а лишь рассматриваю их применение для одной и той же задачи. А что больше понравилось лично вам - решайте сами, уважаемые хабравчане.

С чего все начиналось...

Часто бывает так, что нужно оценить коэффициент передачи кабельной сборки или какого-нибудь другого пассивного двухпортового устройства (аттенюатора, направленного ответвителя, делителя/сумматора мощности, фильтра и т.д.), а под рукой в этот момент только векторный рефлектометр /однопортовый ВАЦ (векторный анализатор цепей) . (Тут я позволю себе сделать небольшое отступление, чтобы сказать, что на данный момент времени подобные приборы стали действительно доступными, т.к. цена на некоторые модели не превышает 30 - 50 тысяч рублей). Вот и возник вопрос – возможно ли с помощью однопортового ВАЦ получить полную матрицу рассеяния двухпортового устройства?

Забегая вперед, скажу, что такое возможно, но при определенных условиях. В частности, испытуемое устройство должно быть взаимным, т.е. коэффициент передачи с первого порта на второй должен быть равен коэффициенту передачи со второго порта на первый. Аналогичные требования предъявляются и к коэффициентам отражения. И еще есть требование на уровень потерь в устройстве: S21 – не более 10 дБ [1].

Кто-то спросит - что это за устройство такое? На самом деле таким критериям могут удовлетворять многие устройства, некоторые из которых я уже упомянул (кабельные сборки, аттенюаторы с небольшим затуханием, направленные ответвители, делители, фильтры и т.д.).

Идею метода измерений я почерпнул из статьи «Применение метода определения параметров устройств с малыми потерями для тестирования смесителей частот» [1]. Но изложенная в ней методика показалась мне излишне навороченной, т.к. ориентирована на некий общий, я бы даже сказал абстрактный, случай т.к. в лучшем случае в наличии к ВАЦ (векторному анализатору цепей) есть всего три тестовых нагрузки – КЗ (Short), ХХ (Open) и согласованная 50-омная нагрузка (СН, Load). Поэтому я решил исходить именно из того, что есть у меня (а также многих моих коллег), и постараться, насколько это возможно, упростить тот алгоритм, что приводится в статье. Мне хотелось увязать результаты измерений в одну формулу, расчет по которой можно выполнить в каком-нибудь доступном ПО (SMathStudio, Octave или каком-либо другом). Также мне было интересно оценить границы применения описанного в статье метода, чтобы понять, в каких случаях его можно применить, а в каких лучше воспользоваться каким-то другим подходом.

Чтобы не загромождать статью математическими выкладками, я убрал их под спойлер.

Измерения проводились в соответствии со следующей схемой (рис.1).

На этой схеме VNA - векторный (однопортовый) анализатор цепей (в нашем случае это ARINST VR 23 — 6200 или CABAN R60);

DUT - обмеряемое (двухпортовое) устройство;

Гн - коэффициент отражения нагрузки (мера нагрузки — КЗ, ХХ или согласованная 50-омная);

Гmeas - коэффициент отражения DUT, нагруженного одной из эталонных нагрузок.

Как уже было сказано выше, для упрощения были сделаны следующие допущения - DUT (тестируемое устройство) является взаимным устройством, таким, что:

Для расчета коэффициента передачи использовалось следующее выражение (взятое из [1]), связывающее между собой S-параметры DUT и Гmeas (см. схему на рис.1):

При учете всех сделанных выше допущений (1) относительно свойств DUT (см. рис.1) можно получить из (2) следующие выражения (3 и 4) для расчета коэффициента передачи тестируемого устройства:

Таким образом, сделанные упрощения (1) позволяют вычислить коэффициент передачи DUT, используя всего три замера. Для выражения (3) это замер меры КЗ (Short), замер DUT, нагруженного мерой КЗ (Short) и замер DUT, нагруженного мерой 50-омной согласованной нагрузки (Load). А для выражения (4) это замер меры ХХ (Open), замер DUT, нагруженного мерой ХХ (Open) и замер DUT, нагруженного мерой 50-омной согласованной нагрузки (Load). В большинстве случаев используют выражение (4), где вместо меры ХХ (Open) просто используют ненагруженный порт - такой подход еще больше упрощает процедуру измерений, т.к. достаточно измерений только с одной согласованной нагрузкой.

ARINST VR 23 - 6200

Мое знакомство с приборами серии Arinst от Kroks началось со статьи, опубликованной на Хабре — «Сравнительный обзор портативных СВЧ приборов Arinst vs Anritsu». После прочтения статьи я подумал, что было бы интересно ознакомиться с этими устройствами вживую, т.к. и на работе и вне работы регулярно возникают задачи, для решения которых приборы в таком форм-факторе были бы очень кстати. Спустя некоторое время в моем распоряжении оказались ARINST SSA-TG R2 (портативный анализатор спектра с трекинг-генератором) и ARINST VR 23-6200 (портативный однопортовый ВАЦ или векторный рефлектометр). Приборы очень порадовали своей компактностью, легкостью и функциональностью. Особенно порадовал тот факт, что эти приборы разработаны и произведены в России.

Поэтому изначально эта заметка писалась именно по тем результатам измерений, которые были сделаны с помощью ARINST VR 23-6200 [6], т.к. этот прибор у меня есть.

Перед тем, как приступать к измерениям, нужно выполнить калибровку ВАЦ. Для того, чтобы было удобнее подключать различные устройства к векторнику, я подключил к измерительному порту небольшую кабельную сборочку и откалибровал ВАЦ вместе с ней (рис.2).

Для калибровки я использовал имеющийся в наличии калибровочный набор от Rohde & Schwarz — ZV-Z135.

После того, как сам ВАЦ откалиброван, нужно обмерить и сохранить в файл с расширением *.s1p [7] данные по коэффициенту отражения для калибровочных мер КЗ (Short) и ХХ (Open) ZV-Z135.

После того, как все вышеописанное сделано, подключаем к векторнику тестируемую кабельную сборку (рис.3).

И теперь проводим измерения коэффициента отражения для тестируемой кабельной сборки, последовательно подключая к свободному порту различные калибровочные меры.

Тут я тоже часть информации убираю под спойлер, чтобы не загружать вас промежуточными выкладками.

Получаем следующие характеристики (рис.4)

Как уже было сказано ранее, сделанные упрощения позволяют вычислить коэффициент передачи DUT (Device Under Test, т.е. тестируемой кабельной сборки), используя всего три замера (см. выражения 3 и 4 под спойлером выше).

Кстати, есть такой момент - если мы обмеряем DUT, нагруженное 50-омной нагрузкой, то получаем коэффициент отражения (S11) тестируемого устройства (рис.5) и таким образом, сразу заполняем главную диаганоль матрицы рассеяния (см. выражение 1), содержащую коэффициенты отражения. И эти данные получены напрямую из измерений (рис.5).

И теперь остается только вычислить коэффициент передачи (S21), используя выражение 3 или 4 (см. спойлер выше).

Результаты расчета коэффициента передачи (S21) представлены ниже (рис.6).

Из графиков на рис.6 видно, что в измерениях есть небольшие выбросы и некоторые вычисленные значения превышают ноль, но таких значений немного и они не превышают 0,1 дБ. Также на рис.6 показаны графики сглаженного гауссовым фильтром коэффициента передачи (smooth data) и усредненные данные (mean data).

В общем, усреднение результатов измерений является общепринятой практикой. Главное - не злоупотреблять. Поэтому на одном графике приведены как сглаженные данные, так и "сырые" результаты расчетов S21.

Таким образом, с помощью описанного метода получен не только коэффициент отражения тестируемого устройства, но и проведена оценка коэффициента передачи кабельной сборки.

CABAN R60

Надо сказать, что приборы серии CABAN от “Планара” я долгое время рассматривал, как более доступную альтернативу приборам от “Keysight” и “Rohde & Schwarz”. Даже хотел взять кредит на покупку CABAN R180. Но в какой-то момент времени ушел в проект, связанный с более высокими частотами, и отложил эту идею на неопределенный срок. А когда вновь вернулся к подобной мысли, уже были доступны приборы от “Крокс”.

Тем не менее, меня долго не покидала мысль о том, что было бы интересно посвятить статью только российским приборам, подобрав их таким образом, чтобы они были как-то сопоставимы - например, рассмотреть именно векторные рефлектометры (как наиболее доступные варианты реализации однопортовых ВАЦ) с максимально близким диапазоном частот. Судите сами, ARINST VR 23 - 6200 работает в диапазоне 23 МГц - 6,2 ГГц, а CABAN R60 работает в диапазоне 1 МГц - 6 ГГц. Проблема была в том, что рефлектометра от “Планар” у меня не было. Поэтому пришлось предпринять ряд шагов для того, чтобы получить для тестирования интересующий меня прибор. И тут я бы хотел сказать большое человеческое спасибо заместителю директора по разработке в ООО “Планар” - Дмитрию Конореву, который согласился совершенно бесплатно предоставить мне для тестирования R60.

Поэтому сегодня я могу, пусть и кратко, рассказать вам об этом интересном приборе. Честно говоря, мне непонятно - почему в сети много информации по зарубежным приборам, но мало по отечественным измерительным приборам ¯\_(ツ)_/¯

Поскольку прибор для меня новый и обзоров на него я не нашел, то привожу под спойлером краткое описание своих впечатлений об этом рефлектометре. Если вам эта часть повествования не интересна, можете смело ее пропустить и переходить сразу к результатам обмеров кабельной сборки с помощью R60.

CABAN R60 порадовал своей компактностью (рис.7) и приятной тяжестью. Корпус выполнен из металла и имеет следующий набор портов: ВЧ-интерфейс для проведения измерений представлен портом с соединителем типа N (male); с противоположной стороны присутствуют два порта, оснащенных соединителями типа SMA (female), использующихся для подачи/вывода сигнала триггера и внешней опоры; для связи с ПК используется порт с USB-интерфейсом.

По своим габаритам R60 даже меньше, чем VR 23-6200 (рис.8). А значит, как нельзя лучше подходит на роль рабочего инструмента на каждый день, т.к. даже в кейсе с защитным ложементом совершенно беспроблемно помещается в рюкзак.

У R60 нет встроенного монитора и поэтому работа с рефлектометром возможно только при наличии ПК со специализированным ПО [5].

У VR 23-6200 есть встроенный экран, благодаря которому рефлектометр можно использовать без ПК и специального ПО, что, на мой взгляд, очень удобно.

ВЧ-интерфейс у R60 представлен соединетелем типа N. Не буду комментировать это решение, но скажу лишь, для подключения СВЧ-устройств с соединителями типа SMA, 3,5 mm, 2,92 mm и т.д. нужен адптер.

На мой взгляд, решение от KROKS - оснастить рефлектометр SMA-интерфейсом - выглядит более удобным. Но это, повторюсь, мое личное мнение, связанное с тем, что большинство СВЧ-устройств, с которыми мне приходится работать, оснащены SMA-соединителями либо более высокочастотными соединителями. Т.е. не нужно искать переходники :)

Давайте приступим к измерениям. И начнем с того, что подключим тестовое устройство к R60 и посмотрим на него (а заодно и на сам рефлектометр) — какие характеристики, какие частоты (рис.9). А уже потом проведем калибровку прибора.

В данном случае в качестве тестового устройства подключен полосовой фильтр Mini-Circuits VFBZ-925-S+ (рис.10). Видно, что даже без предварительной калибровки R60 показывает вполне адекватные результаты измерений. Кстати говоря, схема измерений такая же, как и для VR 23-6200 (см. рис.1).

Функциональное оснащение рабочего ПО [5] меня порадовало — все на уровне мировых лидеров отрасли.

Что еще мне понравилось... Думаю, вы знаете, что во многих руководствах по проведению измерений часто пишут, что измерительному прибору после включения нужно дать некоторое время, чтобы прогреться.Где-то написано, что нужно около 30 - 40 минут, но я ни разу не видел, чтобы в документации был указан какой-либо конкретный критерий, который бы означал, что прибор уже достаточно прогрелся и можно приступать к калибровке и последующим измерениям.

Так вот, в ПО для рефлектометра есть индикация температуры (рис.11), по которой совершенно однозначно можно понять - вышел прибор на рабочую температуру или еще нет.

Давайте настроим параметры свипирования или, как написано в руководстве пользователя [5], «стимул» (рис.12).

Есть возможность задать частотный диапазон, количество точек измерений, полосу ПЧ, мощность свипирующего сигнала и тип сканирования (см.рис.12) — все, как и положено для профессиональных измерительных приборов. Кстати, обратите отдельное внимание на то, что можно настроить мощность сигнала и полосу ПЧ — эти параметры очень пригодятся при тестировании устройств с высокими потерями (выше 10 дБ).

После того, как установлены параметры свипирующего сигнала, можно переходить к процедуре калибровки. Процедура стандартна для полной однопортовой калибровки ВАЦ [5] и поэтому останавливать внимание именно на этом процессе не будем.

А вот на что реально хотелось бы обратить внимание, так это на то, что в процессе калибровки можно выбрать определенный калибровочный набор (рис.13), а если его нет, то его можно добавить в список. Я добавил старенький калибровочный набор ZV-Z135, который использую в своих любительских проектах.

Но можно использовать и некую обобщенную модель калибровочных мер, если характеристики используемых нагрузок не известны.

После калибровки R60 можно приступить к решению той задачи, с которой все и начиналось — оценке коэффициента передачи тестируемой кабельной сборки (рис.14).

И снова промежуточные измерения и выкладки я убираю под спойлер.

Проводим измерения коэффициента отражения для тестируемой кабельной сборки, последовательно подключая к свободному порту различные калибровочные меры.

Вычисляем коэффициент передачи (S21), используя выражение 3 или 4 (рис.16).

Как видно из графика (рис.16) коэффициент передачи не имеет выбросов, превышающих нулевую отметку.

Кстати, интересно сравнить графики коэффициента отражения кабельной сборки, нагруженной на согласованную нагрузку, полученные с помощью разных рефлектометров (рис.17).

Из этих графиков видно, что на некоторых частотах коэффициент отражения, полученный с помощью R60, на 5 - 7 дБ ниже, чем коэффициент отражения, полученный с помощью VR 23 - 6200. Т.е. это говорит о том, что коэффициент передачи, вычисленный по результатам замеров VR 23 - 6200, будет на доли децибела ниже, чем S21, расчитанный по результатам замеров с помощью R60.

Конечно, я помню, свое обещание не сравнивать два рефлектометра между собой. Но тут речь идет о том, чтобы понять, насколько предложенный алгоритм корректно работает и поэтому сравним результаты расчетов коэффициента передачи, полученные при измерениях с помощью разных приборов (рис.18).

На рис.18 приведены графики, аналогичные тем, что были на рис. 6, и добавлен график S21, рассчитанный по замерам с R60. Кстати, график S21 (R60) никак не обрабатывался - не сглаживался и не усреднялся.

На мой взгляд, результаты расчета S21 получились более-менее похожими. Т.е. предложенный метод можно считать вполне рабочим (в определенных пределах и при определенных условиях :). Значит, и основной вопрос решен (измерение коэффициента передачи двухпортового устройства с помощью векторного рефлектометра), и два интересных прибора мы посмотрели.

На этом можно было бы и закончить, но если вам рассмотренная тема интересна, загляните под последний спойлер.

Конечно, я понимаю, что я далеко не первый инженер, который предложил такой подход расчета коэффициента передачи. Поэтому меня очень порадовало, что подобный способ оценки коэффициента передачи «зашит» в ПО для R60 [5]. При этом инженеры и программисты «Планар» сумели еще больше упростить этот способ (рис.19 — рис.23).

Смотрите сами…

Шаг 1. Для графика нужно выбрать пункт измерений «Потери в кабеле» (рис.19).

Шаг 2. Подключить к другому порту кабельной сборки меру «согласованная нагрузка» (СН, Load, Match), провести измерение коэффициента отражения (S11) кабельной сборки, нагруженной мерой СН, запомнить график коэффициента отражения с помощью функции «Запомнить график» (рис.20).

Шаг 3. Нужно отсоединить меру СН от кабельной сборки и либо оставить второй порт без нагрузки, либо подключить меру ХХ. Потом вызвать раздел ПО «Математика» и выполнить вычитание из текущих данных тех, что были занесены в память (рис.21).

Шаг 4. Оценить полученный результат (рис.22). Если нужно, то провести сглаживание данных (рис.23).

Как видно (рис.22) вычисленный коэффициент передачи (S21, потери) получился пульсирующим. Кроме того, на нижней границе частотного диапазона S21 больше 0 дБ (рис.22, маркер 1). И хоть превышение уровня нуля незначительное (всего 0,02 дБ), но напрашивается проведение сглаживания полученных данных. И эту процедуру тоже можно выполнить в рабочем ПО для R60 (рис.23). Нужно выбрать пункт «Фильтрация» и воспользоваться опцией «Сглаживание».

Таким образом, всего за четыре простых шага была получена оценка потерь в кабельной сборке. При этом не понадобилось ни запоминать и записывать отдельные файлы S-параметров, ни использовать какое-либо стороннее ПО для того, чтобы считать результаты измерений из файлов и потом провести их обработку для того, чтобы вычислить потери в кабельной сборке. Даже сглаживание данных можно провести, используя рабочее ПО рефлектометра.

Спасибо вам большое, если дочитали до этого момента. Надеюсь, было интересно и хоть немного полезно.

P.S. По своему опыту работы я знаю, что многие коллеги жалуются на отсутствие доступного измерительного оборудования. Все-таки оснащение ВЧ-лаборатории необходимыми приборами дело весьма затратное. Об этом очень хорошую обзорную статью написала моя коллега - "Сколько стоит СВЧ лаборатория?". В этом материале она упоминает фирму Планар.

Поэтому мне хотелось восполнить пробел, связанный с отсутствием в Рунете обзоров на отечетсвенные измерительные приборы профессионального уровня.

Также я хотел еще раз напомнить (а для кого-то - сообщить новость) о том, что есть очень неплохие и доступные измерительные приборы серии Arinst.

Ссылки, информационные материалы

1. “Применение метода определения параметров устройств с малыми потерями для тестирования смесителей частот”;

2. “Measuring a Multiport Device with a 2-Port Network Analyzer”;

3. Руководство по эксплуатации на ARINST VR 23-6200;

4. Руководство пользователя на ПО для ARINST VR 32-6200;

5. Руководство пользователя на ПО для CABAN R60;

6. “Измерение характеристик двухпортового устройства с помощью Arinst VR 23 — 6200”;

7. "Измерение КСВН широкополосной планарной антенны с помощью Arinst VR 23 — 6200".