מאת: ישי ברודני Agilent Technologies. מבוא: בשנים האחרונות ובמיוחד בשלוש השנים האחרונות, אנו עדים לפיתוחים חדשים בתדרים גבוהים של 60 גיגה הרץ ויותר. הפיתוחים נעשים במיגוון תחומים כגון תקשורת: תקני התקשורת החדשים WiGig וה-802.11ad, מערכות צבאיות: כגון מערכות מכ”ם קרקעי, ובתחום הרפואי: לדוגמה מערכות הדמיה. עליה בתדר מציבה אתגרי מדידה ובדיקה חדשים.
המדידות הדרושות לרכיבי ה-RF בתדרים הגבוהים דומות לאילו שבתדרים הנמוכים: סיפרת רעש, S פרמטרים, Gain Compression ,IP3, הרמוניות, SPURS, הספקים, מדידות ספקטרום שונות ועוד אך דורשות הקפדה יתרה על מערכי המדידה.
תמונה 1 סכמת החיבור של קדם המגבר והמסנן במקום הגישרון בחזית ה-PNA
תמונה 2 הרכבה של שני הגישרונים העליונים אנכית, “מסובבת” את הקפלר הפנימי.
תמונה 3 רעש לא רצוי סביב ההרמוניה הראשית של ה-LO יקלט גם הוא במקלט ה-PNA וישבש את המדידה. לכן יש לסננו.
במענה לדרישות האלה, חברת Agilent השיקה סדרת מכשירים ופתרונות מדידה לתדרים גבוהים.
פריצת הדרך הטכנולוגית שיושמה במשפחת ה-PNA של Agilent מאפשרת היום לבצע מדידות Noise figure באמצעות Network Analyzer. המאמר מתאר מדידת סיפרת רעש של מגבר On Wafer בתדר של 60 גיגה הרץ בעזרת Vector Network Analyzer ממשפחת ה-PNA החדשה וה-PNA-X.
תמונה 4 כיול בקצה הכבלים. המדידה נעשתה בקצה הפרובים ע”י חיסור הפרובים מהמדידה.
סיפרת רעש
סיפרת רעש היא פרמטר חשוב בשרשרת הקליטה של מקלט. סיפרת הרעש של מגבר מתארת את תוספת הרעש שיוסיף המגבר לאות שעובר דרכו. ככל שתוספת הרעש קטנה יותר זה אומר שיחס האות לרעש של האות המוגבר במגבר מתקלקל אך במעט.
ישנן שתי שיטות נפוצות למדידת סיפרת רעש: שיטת “Y Factor“ ושיטת “המקור הקר” (או “המדידה הישירה”). ה-Network Analyzers של Agilent משתמשים בשיטת “המקור הקר”. הסבר על השיטות ניתן למצוא בביבליוגרפיה שבסוף המאמר.
את סיפרת הרעש ניתן למדוד בשני אופנים:
1. בעזרת מקלטים מיוחדים דלי רעש הנמצאים בתוך הנטוורק. (אפשרות זו קיימת כיום עד תדר של 26.5 גיגה הרץ).
2. בעזרת המקלטים הסטנדרטיים של ה-Network Analyzer.
מכוון שתדר העבודה של המגבר הנמדד במאמר זה גבוה, השתמשנו באפשרות השניה: שימוש במקלטים הסטנדרטיים.
שיקולי המדידה
המגבר המובא כאן הינו מגבר On Wafer שתוכנן בעזרת תוכנת ה-ADS של Agilent להגבר של כ-20db וסיפרת רעש של כ-5db. תחום תדרי העבודה הוא 57GHz-65GHz.
למקלטים הסטנדרטים של ה-PNA יש סיפרת רעש של כ-20db – 30db . בנוסף לכך, הצימוד של קפלר הכניסה בפורט של ה-PNA מוסיף עוד ניחות של כ-15db. כדי שנוכל למדוד רעש אנו צריכים להתגבר על רמת רעש זו. לשם כך עושים שלושה דברים:
1. משנים את מיקומם של הגישרונים שבחזית ה-PNA ועל ידי כך “מסובבים” את הקפלר הפנימי כך שהזרוע הישירה שלו מופנת למקלט של ה-PNA ולא הצימוד. כך אנו “חוסכים” את ה-15db ניחות שבצימוד.
2. מחברים קדם מגבר עם הגבר של כ-30db שיתגבר על סיפרת הרעש של המקלטים הסטנדרטיים של ה-PNA.
3. מוסיפים מסנן שתפקידו יוסבר בהמשך.
תמונה 5 מדידת סיפרת רעש והגבר של המגבר.
הערה: ה-PNA מאפשר לבצע מדידת סיפרת רעש ווקטורית ומדידה סקלארית. במדידה הווקטורית משתמשים ב-Ecal (כייל אלקטרוני) נוסף שמותקן באחד מגשרוני ה-PNA ומשמש כטוונר המתאם בצורה מושלמת את הכניסה לרכיב הניבדק ל-50 אום. לכן נחשבים ה-PNA וה-PNA-X למודדי סיפרת הרעש המדוייקים ביותר ל-50 אום. במדידה המובאת כאן, נעשה שימוש בשיטה הסקלארית כלומר ההנחה שמערך המדידה שלנו הוא 50 אום ולא השתמשנו ב-Ecal נוסף.
במדידה שלנו השתמשנו בקדם מגבר סטנדרטי של אחת החברות המייצרות מגברים לתדרים בתחום ה-V . לקדם מגבר זה יש הגבר של כ-30db וסיפרת רעש של כ-4.5db. הגבר זה מספיק בהחלט כדי להתגבר על סיפרת הרעש של המקלטים סטנדרטיים של ה-PNA. בגלל השימוש בקדם מגבר יש לבצע את הכיול של ה-PNA בהספק לא גבוה כך שתימנע דחיסה של מקלט ה-PNA. ב-PNA נקודת הדחיסה של 0.1db מתרחשת בהספק כניסה של כ-0dbm. אנו כיילנו בהספק נמוך מ-20dbm כך שההספק שהגיע למקלט היה כ-5dbm-. את המדידה ערכנו בספק של -50dbm .
המגבר הנמדד שלנו הוא רכיב On Wafer כלומר השתמשנו בעמדת פרובים. כבלים באורך של מטר מחברים בין ה-PNA-X והפרובים, הניחות בכבלים בתדרים האלו הוא כ-8db. הניחות שנמצא אחרי המגבר הנמדד מגדיל את סיפרת הרעש של מערך המדידה ופוגע באיכות המדידה במיוחד אם למגבר הנמדד יש הגבר נמוך. לכן יש להשתדל שהניחות אחרי הרכיב הנימדד יהיה קטן ככול האפשר.
שיקולי סינון
כאשר מודדים ב-PNA בתדרים מעל 26.5 גיגה הרץ, המקלטים של ה-PNA עושים שימוש בהרמוניות של המתנד המקומי LO. אם הרכיב הנימדד הוא רחב סרט, עלול להווצר מצב שרעש שנוצר ממנו בתדר נמוך, סביב ההרמוניה הראשית של ה-LO, יתווסף אף הוא למדידה וישבש אותה. את הבעיה הזו ניתן לפתור על ידי סינון מתאים. במקרה שלנו החיבורים לקדם המגבר הם חיבורי גלבו. הגלבו עצמו מתנהג כמו מסנן מעביר פס לתדרי העבודה שלו. כך סיננו את הרעש סביב ההרמוניה הראשית של ה-LO במערך המדידה שלנו.
Agilent N5245A PNA-X, המודד סיפרת רעש של מגברים, מקלטים ורכיבי RF אחרים בדיוק רב ובמהירות גבוהה.
שיקולי כיול
את הכיול ביצענו בקצה הכבלים המחוברים לפרובים בעזרת “אשף הכיולים “ שב-PNA שמנחה את המשתמש בתהליך הכיול. כלומר המדידה כללה בתוכה את הפרובים ולא רק את המגבר הנמדד. את הפרובים החסרנו מהמדידה בעזרת פונקצית ה-De – Embedding שב-PNA. כדי להשתמש ב-De-Embedding, יש לספק ל-PNA את קיבצי ה-s2p של הפרובים. את הקבצים הללו ניתן להוריד מאתר יצרן הפרוב או להפיק אותם על ידי מדידה של הפרוב ב-PNA ושימוש בפונקציה נוספת ב-PNA שניקראת: Characterize Adaptor Macro. (הסברים על השימוש ב-De-Embedding וב-Characterize Adaptor Marco ניתן למצוא בקובץ ה-HELP של ה-PNA ).
בסוף המדידה
לאחר הכיול והפעלת פונקצית ה-De Embedding נוגעים עם הפרובים בהדקים של המגבר הנמדד ומיד מתקבלת המדידה על המסך. תמונה 5. המדידה מיידית, מדוייקת, מהירה וויזואלית. ניתן להוסיף עוד מדידות על המסך המבוצעות במקביל כמו S11, S22, T eff ועוד. בתמונה 5 רואים שתי מדידות נוספות: DUTRNP ו-SYSRNP. אם שתי המדידות האלה קרובות זהו סימן שכמות ההגבר במערך המדידה מספיק כדי להתגבר על סיפרת הרעש העצמית של הנטוורק והמדידה מדויקת ונכונה.
סיכום
משפחת ה-PNA החדשה וה-PNA-X של Agilent מודדות סיפרת רעש של מגברים, מקלטים ורכיבי RF אחרים בדיוק רב ובמהירות גבוהה. ניתן למדוד גם סיפרת רעש של רכיבים ממירי תדר לדוגמה: מקלט הממיר תדר מ-RF ל-IF. המימשק הפשוט והנוח, והכיול המתקדם מאפשר למשתמש לבצע מדידות מורכבות בקלות ובנוחות שלא היו אפשריות בעבר.
ביבליוגרפיה
1. Agilent Application Note 1408-20:
High-Accuracy Noise Figure Measurements Using the
PNA-X and PNA Series Network Analyzer
2. Agilent PNA User Guide and Help.
3. Agilent Application Note 57-1:
Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements
4. Agilent Application Note 57-2:
Measurement Accuracy – The Y-Factor Method
