מאת: הירויוקי מיהארה Agilent Technologies
הבנת התנהגותם של התקנים בתנאי פעולה רצויים הינה צעד קריטי בתכנון של כל התקן RF אקטיבי בעל ביצועים גבוהים (למשל מגבר או ממיר). אם הרכיב פועל במצב CW (גל רציף, continuous-wave), אפיון זה עשוי להיות פשוט כמו מדידת S-Parameters באמצעות נתח רשתות וקטורי (VNA). יחד עם זאת, כאשר ההתקן פועל במצב pulsed mode האפיון אינו כה פשוט. בנוסף ל- S-Parameters חייבים למדוד פרמטרים אקטיביים רבים אחרים במקרה של מצב pulsed mode. במדידות של מגבר, פרמטרים אלה כוללים דחיסת 1-dB (P1dB), IMD, Intermodulation distortion ו -IP3, Third-order intercept point. ניתן אף לאפיין ערך רעש, תוצרים של distortion מסדר גבוה יותר ו- harmonics של המגבר, בין היתר, תוך תלות ביישום המיועד לו. מכיוון שהפרמטרים האקטיביים הינם תלויי-הספק, נדרשים שיקולים נוספים על מנת להבטיח אפיון מדויק. הבנת השינויים הנדרשים ב-VNA על מנת לתמוך במדידות הללו הינה קריטית.
תרשים 2. מוצגת כאן דיאגראמת תזמון מערכת פולסים של Agilent N5242A PNA-X עם טווח תדרי IF של 5MHz. בערך nSec אחרי ה- Trigger של הפולס במבוא ה-PULSE SYNC IN, מחוללי הפולס הפנימיים יוצרים פולס המהניע את אפנן הפולס ואת תזמון רכישת הנתונים של המקלט. יש לאפנן הפולס עיכוב של כ- 30nSec לביצוע אפנון של אותות ה-RF. עיכובים המוגדרים על ידי המשתמש עבור מחוללי הפולסים משמשים להתאמת המודולציה ותזמוני המדידה כדי להתחשב בעיכובי המערכת של הפולסים.
על מנת להבין טוב יותר את האתגר הכרוך במדידה מדויקת של התקנים אקטיביים מבוססי-פולסים, נביט תחילה במצבי הפעולה השונים מבוססי-הפולסים: Pulsed-RF ו-Pulsed-Bias. פעולתPulsed-RF מניעה התקן באמצעות אות RF שעובר אפנון פולסים (Pulse-Modulated) והמִקְדָּם של הזרם הישיר (DC bias) הינו תמיד מופעל. מגברים הנמצאים בשימוש במקלטים ביישומים שהינם Pulse-Modulated בדרך כלל נבדקים תחת פעולה שהינה Pulsed-RF, דבר הדורש אפננים של פולסי RF עבור עירור (stimulus) ומחוללי פולסים לסינכרון (או gate) מקלטי ה-VNA על מנת לבצע לכידה של אותות ה-RF שעברו אפנון.
עם פעולת pulsed-bias, המקדם של הזרם הישיר (DC bias) מופעל ומופסק כדי ליצור אות בעל אפנון פולסים (Pulse-Modulated). הקלט הינו בעיקר אות CW. ייתכן שיהיה צורך במחוללי פולסים להפעלת והפסקת מקדם הזרם הישיר. מקלטי ה-VNA מסונכרנים על מנת למדוד את אות הפלט כאשר ההתקן מופעל.
עבור ניתוח רשתות של Pulsed-RF, מבצעים שלושה סוגי מדידות- Average Pulse, Point-In-Pulse ו- Pulse Profile – תוך שימוש בטכניקות זיהוי פס רחב (wideband) או פס צר (narrowband). משתמשים בזיהוי פס רחב כאשר רוחב הפולס הינו רחב דיו כדי שמקלטי VNA יוכלו למדוד את רוב הספקטרום של ה- Pulsed-RF. כאשר רוחב הפולס צר מדי משתמשים בזיהוי פס צר על מנת למדוד רק את מרכז ההיענות הספקטראלית על ידי הסרת כל הרכיבים האחרים של ספקטרום ה- Pulsed-RF.
תרשים 3. כאן מוצגים Pulsed S-Parameters בפס רחב אשר כוילו ומדידות הספק אבסולוטי אשר בוצעו באמצעות ה-PNA-X, עם השוואה בין מצבי Open loop ו Receiver Leveling. ההבדל ב-memory traces הינו קטן מאוד במדידות input match וה gain, אולם הינו גדול יותר במדידות הספק אבסולוטי.
שיקולי מדידה ב- VNA
כאשר מאפיינים התקנים אקטיביים במצב מבוסס-פולסים תוך שימוש בזיהוי פס רחב או פס צר, ישנם מספר שיקולים שעל המהנדס להתחשב בהם;שינויים נדרשים ב-VNA וטכניקות המאפשרות אפיון התקנים פעילים תלויי-הספק, כולל דחיסה (compression) ועיוות (distortion).
ניתן למדוד התקנים אקטיביים הפועלים במצב pulsed באמצעות VNA, אולם נדרשים מספר שינויי חומרה. עבור פעולה שהינה Pulsed-RF, חייבים להוסיף אפננים ומחוללי פולסים ל-VNA. פעולה של Pulsed-Bias עשויה להדרש להוספה של מחוללי פולסים. PNA-X מתוצרת Agilent Technologies מהווה דוגמה לנתח עם מחוללי פולסים ואפנני פולסים משולבים (תרשים 1).
שינוי נוסף הנדרש ב-VNA הינו תוספת של I/O Port של פולסים אשר מספק גישה למחוללים ואפנני הפולס הפנימיים, ומאפשר מדידות פולס סינכרוניות עם מחוללי פולסים חיצוניים או התקן נבדק (DUT).
שיקול חשוב שיש להתחשב בו כאשר מודדים התקנים אקטיביים הפועלים בתנאי Pulse הינו Pulse System Delays (למשל עיכובים במערכת הפולסים מהמפעיל (Trigger) של הפולס למחוללי הפולסים, לאפנני הפולסים ול-ADC עבור רכישת הנתונים). תרשים 2 מציג דיאגראמת תזמון של Agilent PNA-X עם טווח תדרי IF של 5MHz מ- Trigger הפולס החיצוני דרך רכישת הנתונים עם טכניקת זיהוי פס רחב. אם עיכוב כלשהו מעיכובי המערכת של הפולסים (למשל עיכובי Pulse Trigger ועיכובי אפנון) בתוספת עיכובי מערכת אחרים מכבלי מבוא הבדיקות והאורך החשמלי של ההתקן הנבדק הינם ארוכים יחסית בהשוואה לרוחב הפולס וזמן הרכישה של נתוני המקלט של ה-VNA, אזי יש להתאים בזהירות את התזמון של כל אחד. בנוסף, יש להציב את חלון רכישת הנתונים במרכז הפולסים (בקירוב), ויש לבחור טווח תדרי IF רחב דיו על מנת להשלים את רכישת הנתונים תוך כמחצית מרוחב הפולס. על ידי ביצוע הצעדים הללו ניתן להימנע מרוב שגיאות התזמון.
בתמונה: נתח הרשתות PNA-X של Agilent מהווה מערכת בדיקות ה-Pulsed-RF במארז יחיד הראשון בתעשייה.
אפיון של התקנים אקטיביים תלויי-הספק
התקנים הפועלים בתנאי Pulsed הינם לעיתים קרובות התקנים אקטיביים פרדים או מודולים המורכבים ממגברים ו/או mixers. הביצועים של התקנים אלה הינם בדרך כלל תלויי-הספק. לפיכך, הם מאופיינים בתנאי פעולה ליניאריים ולא-ליניאריים. Stimulus Power לא מדויק עשוי לגרום שגיאות מדידה משמעותיות.
במספר VNAs, הספק העירור מכויל במפעל הייצור. מסופקת רמה של הספק עירור בעל דיוק סביר במבואות הבדיקה, אפילו ללא כיול הספק המקור. כאשר נדרש הספק עירור מדויק בקלט ההתקן (בדרך כלל בקצה כבל מבוא הבדיקה), מבוצע כיול Source Power. הכיול מפצה על path lossומתקן שגיאות, אשר מאפשרים לקבוע את דיוק הספק העירור הספק העירור ל- tolerance level שצוינה מדיוק חיישן ההספק. עבור מדידות Pulsed-RF כיול פשוט זה הופך לבעייתי. מכיוון שרוב חיישני ההספק מודדים הספק RF ממוצע, קריאות החיישן הינן 10 נמוך יותר מהספק השיא של הפולס במהלך כיול הספק המקור במצב פולסים. ניתן להשתמש בשתי גישות כדי להתגבר על בעיית כיול הספק המקור הזו. הן כוללות:
כיול הספק מקור באמצעות Power Offset.
טכניקה זו משמשת לכיול העירור (stimulus) עם אפנון פולסים מופעל. כדי לבצע בהצלחה כיול הספק מקור, חובה להשתמש בתכונת Power Offset על מנת להבטיח שמקור ה-VNA הנמצא במצב unleveled כאשר הוא מנסה להביא את הספק מבוא הבדיקה לרמת ההספק המכוילת הרצויה. אפקט ביטול הרגישות של הפולס עקב מחזור הפעולה של הפולס מופיע attenuation, לכן ה- Power Offset הינו תמיד שלילי. למשל, ערך ה- Power Offset עבור עירור Pulsed-RF עם מחזור פעולה של 5% הינו -13 10.
Pulse Stimulus מדויק באמצעות Receiver Leveling
מקלט ה-VNA משמש לניטור הספק ה-RF במצב פולס ותיקון רמת הספק המקור עבור כל Measurement Sweep במצב Receiver Leveling. ברגע שנבחר Receiver Leveling, רמת המקור מותאמת לקריאות המקלט ומתעלמים ממקדמי התיקון של הספק המקור (לא משתמשים בכיול הספק מקור גם אם הוא מופעל). מקלטי ייחוס משמשים בדרך כלל ליישור מקלטים, אף על פי שניתן להשתמש בכל מקלט או אפילו חיישן הספק (אם הוא נוסף כמקלט ל-VNA). דיוק רמת המקור במצב יישור מקלט תלוי בדיוק האבסולוטי של מדידת ההספק של המקלט, עובדה ההופכת כיול מקלטים לחיוני.
מקלטי ייחוס יכולים להיות מכוילים על ידי ביצוע כיול מקלטים נפרד או כחלק מכיול הספק מקור, למרות שהאחרון הינו המומלץ. במהלך הכיול חייבים שמצב ה- leveling יהיה במצב open loop עם אותן הגדרות שרשרת מקור כמדידות, ועל אפנון הפולסים להיות מופסק. כמו כן, הגדרות המקלט חייבות להיות זהות בין כיול המקלט והמדידות הפולסיות.
עם סיום הכיול, המקלט יכול למדוד במדויק את שיא הספק הפולס בזיהוי פס רחב ולהתאים את הספק המקור עד שהוא יהיה בתחום האפיצות שהוגדרה או יגיע למספר המרבי של סריקות לפני measurement sweep. במצב זיהוי פס צר, המקלט מודד את ההספק נמוך יותר משיא הספק פולס ב- 20 חובה להשתמש ב- Power Offset עם Receiver Leveling במדידות פולס של פס צר.
יש לשים לב שעבור מדידות S-Parameters, היכן שההתקן הנבדק מצוי בתחום הפעולה הלינארי, ההספק אינו מהווה מקור לדאגה ו- open loop leveling מתאים למצב זה. כאשר מבצעים מדידות ביצועים של הספק אבסולוטי ו/או ביצועים תלויי-הספק, הספק העירור של הפולס הינו חשוב מאוד וחייב להיות מיושר במדויק. במקרה זה (זיהוי פס רחב) מומלץ Receiver Leveling (תרשים 3). הוא יכול לשמש עם זיהוי פס רחב וזיהוי פס צר כאחד וניתן להחיל אותו על מדידות הספק Swept-Power Measurements כמו גם על דחיסה ומדידות IMD two-tone.
סיכום
מדידה מדויקת של התקנים אקטיביים פולסיים (pulsed) יכולה להיות משימה קשה, במיוחד כאשר המדידות הללו הינן תלויות-הספק. Receiver Leveling מציע אופן אחד לטיפול בסוגיה הזו. שיקול נוסף שעל המהנדס להיות מודע לו כאשר מאפיינים התקנים אקטיביים הינו בחירת VNA התומך התומך ב- pulse generators ו- modulators. שימוש בפתרונות הנכונים והטכניקות המתאימות ליישור מדויק של pulsed stimulus power הינו קריטי לאפשור מדידות S-Parameters ואפיון מדויק של התקנים אקטיביים תלויי-הספק כולל דחיסה (compression) ועיוות (distortion).
