וונג סוק הואה, Agilent Technologies
בחירת מד ההספק הנכון עשויה להיות מרתיעה שכן ישנם סוגים רבים של חיישנים בשוק כיום. באופן כללי, שיקולי מפתח עבור חיישני הספק הינם טווח התדרים, טווח ההספק ויכולות המדידה (כלומר CW, מדידות ממוצע (average) או שיא (peak). תחום שלעיתים קרובות מעלימים ממנו עין בקריטריוני הבחירה הינו לשקול אם חיישן ההספק הינו בעל צימוד
DC (DC coupled) או חסימת DC
DC blocked), או צימוד AC, AC coupled). בחירת הסוג הלא נכון של חיישן יכולה להוביל לאי דיוקים במדידה ונזק לחיישן ההספק.
הגדרות עבור “צימוד DC” ו”חסימת DC”
חיישן בעל צימוד DC מאפשר עבודה עד לתחום ה-DC שכן אין קבל חוסם המונע מזרם ישיר או מרכיבי אותות בתדר נמוך להיכנס לאלמנט החישה עבור מדידות הספק. מצד שני, בחיישן בעל DC Block, ממוקם קבל בתור לפני אלמנט החישה כדי לסנן החוצה מֶתַח-מִקְדָּם (bias voltage) של זרם DC או רכיבים של תדר נמוך. על מנת לתכנן חיישן בעל DC Block המודד עד לתדרים נמוכים מאוד, הקבל צריך להיות גדול מאוד, וזה מציב אתגר תכנוני בהשגת התאמת קלט טובה או ביצועי VSWR (voltage standing wave ratio). ככל שהקבל גדול יותר, כך גדלה אי הרציפות בעכבה האופיינית של 50 אוהם עקב המעבר מקו שידור קוֹאַכְּסְיָלִי קטן של 50 אוהם למבנה קבל גדול יותר.
הבדלים ביישום בין חיישנים בעלי צימוד DC ובין חיישנים בעלי DC Block
בהשוואה לחיישן בעל צימוד DC, חיישן בעל DC Block הינו בדרך כלל בעל כיסוי יישומים רחב יותר מכיוון שהוא יכול למנוע זרם מִקְדָּם (bias current) או זרם דליפה DC מלהיכנס לאלמנט החישה (אלמנטי חישה טיפוסיים הינם thermocouples או גלאי דיודות). במספר יישומים, נתיב המקדם של הזרם הישיר משותף לנתיב ה-RF, ולכן כמות מסוימת של זרם ישיר תופיע בנתיב ה-RF ותציג היסט (offset) למדידת הספק ה-RF. כאשר מודדים הספק RF בנתיב ה-RF, הזרם הישיר יוזן לגורם החישה וישפיע על דיוק המדידה.
הבה וניקח חיישן thermocouple כדוגמה. חיישן thermocouple הינו חיישן מבוסס חום כאשר הנוכחות של אנרגיית RF מחממת את צומת ה- thermocouple ויוצרת רמת מתח הפרופורציונאלית להספק ה-RF הנכנס. לאחר מכן נמדד המתח ומקושר לרמת הספק RF מסוימת באמצעות כיול. יחד עם זאת, הנוכחות של מתח היסט DC על קלט ה-RF גם תחמם את הצומת ותוביל למדידה שגויה אם כל המצופה מהמדידה הינו רכיב ה-RF. דוגמת היישום הבאה מתארת את הגדרת בדיקת הייצור של מגבר Wi-Fi, כאשר הספק DC מועבר למגבר ה- Wi-Fi דרך כבל האנטנה. אם היית משתמש בחיישן בעל צימוד DC למדידת הספק בנתיב ה-RF, היה מתרחש אי דיוק משמעותי במדידה מכיוון שאלמנט החישה אינו מזהה רק את הספק ה-RF, אלא גם את זרם המקדם של DC.
תרשימים 1(a) ו-1(b) מתארים פתרונות חלופיים לבעיה זו. הינך יכול להציב DC-Blockלפני חיישן ההספק של צימוד DC (תרשים 1(a)), או bias tee לפני מגבר ה- Wi-Fi(תרשים 1(b)). החיסרון של תצורה כזו הוא שיהיה אי דיוק אינהרנטי במדידה עקב אי התאמה והפסדים שגורמים DC-Block וה- bias tee. מדידה בחיישן בעל צימוד ה-DC אינה מייצגת יותר הספק RF הנכנס למגבר ה- .Wi-Fi
בנוסף, חיישן בעל צימוד DC אף אינו מתאים לכיול של נתחי רשתות עם תצורה של bias tee. ה- bias tee מאפשר יישום של מִקְדָּם זרם ישיר לפורטים של נתח הרשתות באמצעות מחברי BNC בפאנל האחורי של המכשיר. בתצורה כזו, חיישן ההספק בעל צימוד ה-DC אינו יכול לבצע מדידות מדויקות שכן הספק פלט ה-RF מנתח הרשתות מכיל רמת היסט של זרם ישיר.
לעומת זאת, עם חיישן בעל DC-Block לא תצטרך לפגוש בעיות אותן תזכה להכיר עם חיישן בעל צימוד DC. תרשים 2 מראה כיצד עם חיישן בעל DC-Block אין צורך בקבל חיצוני כ- DC Block לפני חיישן ההספק, או ב- bias tee לפני מגבר
הWi-Fi. כשלעצמו, מפצל ההספק מספק, תיאום עקבות של שני הפלטים שלו, דבר המבטיח שההספק הנמדד הינו שווה ערך להספק הקלט של מגבר ה-Wi-Fi.
הבדל נוסף בין חיישן בעל צימוד DC ובין חיישן בעל DC-Block הינו המתח המרבי הנתמך. מתח ה-DC המרבי הנתמך על ידי חיישן בעל צימוד DC משתנה מ-3 וולט ל-5 וולט, כאשר חיישן טיפוסי בעל DC-Block יכול לתמוך במתחים של עד 20 וולט. חיישן בעל צימוד DC ניזוק בקלות עקב הספק יתר. באמצעות חישוב פשוט של יחס מתח-הספק, ניתן לראות כי הספק קלט RF של יותר מ23 dBm+ יכול פוטנציאלית לשרוף חיישן בעל צימוד DC.
בכל אופן, חיישן בעל צימוד DC אינו נטול תועלות. באופן כללי, חיישנים בעלי צימוד DC הינם בעלי ביצועי VSWR מעט טובים יותר בהשוואה לחיישנים בעלי DC-Block מכיוון שאין קבל חוסם בחזית. חיישנים בעלי צימוד DC אף יכולים לשמש ביישומים הדורשים פעולות בתדרים נמוכים מאוד, אפילו ברמות זרם ישיר. מאפיין זה הופך אותם לבחירה אידיאלית עבור יישומי מטרולוגיה כאשר כיול חיישנים יכול להיעשות על ידי שיטות השוואה ישירה, כלומר מתח DC מהחיישן יכול להימדד ישירות באמצעות מד וולטים.
אתגרי תכנון בחיישנים בעלי DC Block
עתה כשאתה יודע מדוע חיישנים בעלי חסימת DC הינם עדיפים בביצוע מדידות RF מדויקות יותר, הינך עשוי לתהות “מדוע אין כל החיישנים מתוכננים כך?”. תכנון חיישן בעל DC Block אינו משימה קלה שכן החיישן צריך לכסות טווח תדרים רחב – אפילו תדרים גבוהים עד 70 גיגה הרץ – תוך שמירה על ביצועי VSWR ופקטורי כיול טובים. VSWR טוב הינו חיוני לביצועי החיישן הכוללים שכן VSWR הינו תכונת מפתח המשפיעה על אי וודאות המדידה. פקטורי כיול מסייעים להבטיח יעילות המרה טובה של הספק למתח על מנת למרב (maximize) את הטווח הדינמי השמיש ולבצע אופטימיזציה של ביצועי רעש במדידות.
תהליכי תכנון וייצור חדשניים הינם מפתח להשגת VSWR מעולה וביצועי פקטורי כיול תוך שמירה על היכולת לייצר את החיישן. תכנונים חדשניים של חיישני הספק כוללים תכנון דקדקני של מבנה המוליך החיצוני כדי לפצות על הפסדי קיבוליות בתדרים גבוהים, על מנת לשמור על VSWR טוב ושטיחות (flatness) התדר. על מנת לבצע אופטימיזציה של ביצועי VSWR ופקטורי כיול, על תכנון הקבל להיות קטן דיו כדי להיטמן בתוך הפין המרכזי המחבר הקטנטן בגודל 1.85 מילימטר. עקב רמת המורכבות והמבנה העדין המעורבים בדבר, כל שלב של תהליך הייצור חייב להיות מטופל בזהירות ובדיוק מרביים על מנת להבטיח שחיישן ההספק בעל חסימת ה-DC יהיה מסוגל להפגין ביצועים מצוינים, כמצופה בתדרים גבוהים.
מסקנה
בחירתך בחיישן הספק תלויה ביישום ובמה שתרצה להשיג בבדיקות של התקן ה-RF. בין אם תבחר חיישן בעל צימוד DC או חיישן בעל DC Block, דיוק המדידה ויכולת נשנות (repeatability) צריכים להיות שיקולי מפתח. חיישנים בעלי DC Block הינם מותאמים למגוון רחב של יישומים שכן אין צורך לדאוג אודות מתח היסט DC כלשהו בנתיב ה-RF אשר יוביל לאי דיוק במדידה. מצד שני, חיישנים בעלי צימוד DC הינם מותאמים ליישומים הדורשים מדידות עד לזרם ישיר או לתדרים נמוכים מאוד כמו למשל ביישומי מטרולוגיה.
Agilent Technologies מציעה מגוון רחב של חיישנים בעלי צימוד DC, הכולל את חיישן הספק ה- thermocouple N8488A שהושק לאחרונה ומציע את הכיסוי הרחב ביותר בתעשייה של תדרים עם DC Block ומודד במדויק עד ל-70 גיגה הרץ. חיישנים של Agilent בעלי צימוד DC הינם ה- E9304A מסדרה E שהינו חיישן הספק ממוצע אמיתי, וחיישן ההספק הממוצע מבוסס ה-USB U2004A.
