מאת: סוק הואה וונג, Agilent Technologies
מדי הספק משמשים בעיקר להבטחת מדידות הספק RF מוחלטות ומדויקות ולהוספת יכולת עקיבה למערכת הבדיקה. בין אם מערכת הבדיקה מצויה בקו ייצור, על שולחן המעבדה, או בשטח, למדידות תקשורת ניידת ומכ”ם, מדי ההספק נותרים ציוד הייחוס, להבטחת יכולת עקיבה עבור מעבדות תקינה בינלאומיות. דבר זה מבטיח כי ניתן יהיה לשכפל את מדידות ההספק בזמנים שונים ובאתרים שונים.
אף על פי שמדי ההספק נחשבים לציוד המדויק ביותר בתחום מדידות ההספק, ניתן עדיין לזהות מקרים של אי ודאות בעת שימוש במכשירים אלה. יצרנים רבים של מדי הספק מפרסמים מאמרים או כלים, המיועדים לסייע למשתמשים בניתוח מופעים של אי ודאות הקשורים במדידה, אולם לעתים אלה מוגבלים למדידות ממוצע ההספק. מאמר זה יסביר את מופעי אי הוודאות המשויכים למדידות ה-peak power (הספק שיא). בנוסף, הוא כולל מבוא קצר המתאר את טכניקות המדידה של מדי ה-peak power וכן את מקרי אי הוודאות הקשורים במדידת ההספק הממוצע, וזאת כרקע המיועד להעשיר את הבנת המשתמש.
לכידות במד הספק השיא ועיבוד המדידה
החזית של מד ההספק כוללת אלמנט חישה, אשר הסוג הנפוץ ביותר שלו הוא חיישן דיודה. החיישן ממיר את האות שנמדד מהספק לוולטים. במערכת המשנה של הלכידה, אות המתח האנלוגי יעבור סינון, יידגם ולאחר מכן יעבור המרה מפורמט אנלוגי לדיגיטלי. התוצאה המתקבלת מהווה ייצוג דיגיטלי של אות הכניסה האנלוגי.
במערכת המשנה של הרכישה קיימים שני נתיבים: האחד מבצע מדידות CW (וממוצע) בלבד, והאחר משמש למדידות שיא בפס רחב.
מדידות שיא בפס רחב כוללות מגברים מדויקים בעלי רוחב פס גבוה וכן דיגיטייזר בעל טווח דינמי רחב. המעקב אחר מעטפת האות מתבצע באמצעות החיישן, ונדגם על-ידי ADC מבוסס שעון רציף במהירות גבוהה (בדרך כלל 80MHz או יותר). הדבר מאפשר לדגום גרסת “זמן אמת” של הספק המעטפת של האות שנמצא תחת בדיקה. על מנת לאפשר חישה מדויקת במיוחד של אותות הספק בעלי טווח דינמי גבוה, בדרך כלל נעשה שימוש בשני התקני ADC מקבילים עם offset. דגימות ה-pre-triggered וה-post-triggered נלכדות ונשמרות. הלכידה נשלטת על-ידי מנוע trigger, על מנת שניתן יהיה לקבוע את תזמון הלכידה. עם השלמת הלכידה, כל הדגימות מועברות מזיכרון הלכידה ל-DSP לצורך תיקון ועיבוד מדידה. המדידות הלא מתוקנות מבלוק הלכידה, שעברו דיגיטיזציה, מעובדות על-ידי ה-DSP והקושחה במספר דרכים: תיקון zero/calibration, תיקון טווח ופס רחב או עיבוד מדידה (שיא, ממוצע, CCDF, עקבה).
במקרה של מדידת CW אנלוגי, התקן המדידה פועל במידה רבה באופן זהה לזה שבו פועל מד הספק ממוצע מסורתי; המדידה החדשה מופקת לאחר פרק זמן של אינטגרציה, שכולל לפחות מחזור chop אחד. המדידות עוברות סינון כדי להפחית רעשים ומפיקות קצב קביל של עדכון מדידה אשר עומד על 20/40/400 קריאות או יותר לשנייה.
בחיישן מובנה גם תרמיסטור, אשר מודד את טמפרטורת הגלאי ויש בו צורך על מנת לבצע תיקוני ליניאריות מבוססי טמפרטורה.
מקרי אי ודאות הקשורים במדידת הספק ממוצעת
במדידות הספק, כמו בכל מדידה, קיימים מקורות רבים של אי ודאות או שגיאות. באופן כללי, קיימים שלושה מקורות מרכזיים של אי ודאות, דהיינו, שגיאות אי התאמה של חיישנים ומקורות, שגיאות חישה ושגיאות התקן המדידה.
בדרך כלל, שגיאות אי התאמה בין חיישנים למקורות מהוות את הגורם העיקרי, והן נגרמות על-ידי הוספה והסרה של גלים מתקדמים וחוזרים (incident and reflected) אשר יוצרים דפוס של גלי מתח עומדים בקו התמסורת. כתוצאה, חלק מהספק המקור לעולם לא מגיע לחיישן ולכן לא נמדד.
מקור השגיאות הנפוץ השני הינו כל אותם מקרים של אי ודאות המשויכים לחיישן ההספק. ההספק שמגיע לאלמנט החישה אינו נמדד במלואו, חלק ממנו מתפזר לחלקים אחרים של החיישן. החיישן מודד אך ורק את ההספק שעובר פיזור על-ידי אלמנט החישה. לצורך תיקון הנצילות הלקויה של אלמנט החישה נעשה שימוש בפקטור כיול.
הגורם השלישי כולל שגיאות שמשויכות לרכיבים האלקטרוניים של מד ההספק, כגון מקרי אי ודאות הקשורים במקור הכיול, אי ודאות הקשור במגבר וחוסר ליניאריות של המעגל. מקור זה של אי ודאות בוטל למעשה עם השקתם של חיישני הספק מבוססי USB, והוא נחשב לחלק ממפרט אי הוודאות המשויכת לכיול החיישן, אשר משלב ליניאריות, אי ודאות המשויך לפקטור הכיול, מפרטי טמפרטורה וכן מקרי אי ודאות הקשורים בתהליכי כיול פנימיים.
בעת מדידה של רמות אות נמוכות, מופיעים מקורות נוספים של אי ודאות כגון zero set, zero drift ורעש מדידה. ניתן לנתח שגיאות אלה ולשלבן באמצעות שיטת ה- (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement), על מנת לקבל את פירוט אי הוודאות הכולל של מדידות ההספק (ראה טבלה 1). שיטת ה-GUM הוטמעה על-ידי כל גופי המדידה ומעבדות התקינה המובילים.
מקרים של אי ודאות הקשורים במדידת הספק שיא
הספק שיא הוא בעיקרו ממוצע הספק במהלך פרק זמן קצר. חישוב אי הוודאות במדידה הכלול בדוגמה שלעיל תקף הן עבור הספק שיא והן עבור ממוצע הספק. ההבדל העיקרי טמון ברעש. כיוון שבמדידות של הספק שיא נבחנת בעיקר דגימה אחת, עליך להשתמש בערך של מפרט ה-‘noise per sample’. אם אתה מודד ממוצע הספק במהלך פרק זמן מסוים (time-gated), אתה עשוי לחשב את הרעש במהלך פרק הזמן. הרעש יפחת בהדרגה בעת ביצוע מדידה למשך פרק זמן ארוך יותר, וזאת בגין אפקט חישוב הממוצע (averaging).
עבור מד הספק עם מרווח דגימה של
12.5ns ומפרט רעש לדגימה של 2.5µW, הרעש במהלך פרק זמן של 5µs הנו 125nW.
עבור הספק שיא שנמדד במהלך פרק זמן דומה, ניתן להשתמש ב’רעש לדגימה’, אשר במקרה זה הנו 2.5µW.
סיכום
חיישנים ומדי הספק RF מהווים פריטי ציוד חשובים, המוסיפים יכולת עקיבה למערכת הבדיקה לביצוע מדידות מוחלטות ומדויקות של הספק ה-RF. השיטות המשמשות לחישוב מקרי אי הוודאות של החיישנים ומדי ההספק מגובשות ומוכרות, ומבוססות לרוב על שיטת ה-GUM. ניתן להחיל שיטה זו הן על מדידות ממוצע הספק והן על מדידות הספק שיא. ההבדל העיקרי נעוץ בסוג הרעש שבו נעשה שימוש. במדידות ממוצעים, נעשה שימוש ברעשי מדידה מסוג free run, בעוד שבמצבי מדידת שיא או ממוצע שהינם time-gated נעשה שימוש במפרט
ה-noise per sample.
