אחד הגורמים החשובים שיכולים להבטיח שיתקיימו מדידות מדויקות והדירות בתחום של יישומי ת”ר (RF) הוא יציבות הביצועים של כבלי הבדיקה שבהם משתמשים. ברוב סביבות הבדיקה, הכבלים עוברים לא פעם כיפופים במהלך שימוש רגיל, עובדה שעלולה לגרום לשינויים במופע (פאזה) ולשינויים בפרמטרי ביצועים אחרים. בתלות בכבל, שינויים אלו יכולים להיות משמעותיים דיים כדי להקטין את הדיוק של המדידות. לכן, בתהליך של בחירת הכבלים המתאימים לצרכים שלך, חשוב לקחת בחשבון את האופן שבו כיפוף הכבלים ישפיע על ביצועי המופע של הכבל ולבחון עד כמה כבל מסוים יתאים (או לא יתאים) לעמוד בדרישות יציבות המופע על חשבון הגמישות שלו.
במאמר זה נבצע סקירה של המאפיינים הבסיסיים בתחום יציבות המופע של כבלים קואקסיאליים לת”ר ונזהה את הגורמים שמשפיעים על ביצועי המופע. נחקור שתי שיטות שמשמשות לבדיקה של שינויים במופע לעומת גמישות, נציג את השיטה המועדפת שמשמשת כדי לבדוק את הכשירות של הכבלים בעלי יציבות במופע הסדרות T40 ו- T50 של Mini-Circuits ונתאר אותם בפרטים.
מהי חשיבותו של המופע
יציבות של המופע בכבלי בדיקה בעלת חשיבות רבה, מהטעמים הבאים:
- היא מבטיחה עקיבה מהימנה של המופע עם שינויים בטמפרטורה ומקטינה שגיאות שאריתיות ומצבי חוסר וודאות.
- היא משפרת את השבח (ההגבר) של האנטנה לקבלת ביצועים ודיוק טובים יותר של המערכת
- היא מספקת קצב שגיאות סיביות (BER) טוב יותר, אשר מגדיל את הטווח היעיל
- היא מרחיבה את מרווח הזמן בין פעולות כיול ומקטינה למינימום את הסחיפה בין כיולים
מה גורם לשינויים במופע?
באופן כללי, מופע מושפע מהאורך הפיסי של מכלול הכבלים, מרדיוס הכיפוף של הכבלים ומהטכניקה של מכלול הכבלים. ניזכר בנוסחה המגדירה את האורך החשמלי של קו ת”ר במעלות:
אורך חשמלי (במעלות) =
כאשר f הוא התדירות (frequency) בהרץ, L הוא האורך הפיסי (Length) במטרים, εr הוא הקבוע הדיאלקטרי (dielectric constant) של החומר ממנו עשוי הכבל, c הוא מהירות האור במטרים לשנייה ו- λ מציינת את אורך הגל.
הכבלים מתוכננים בדרך כלל על מנת לפעול בטווח רחב של תדירויות ולהקטין עד למינימום את ההנחתה (הפסדים). ככל שהאורך החשמלי רב יותר, גדולים יותר ההפסדים. מאחר שהאורך החשמלי (וההפסדים) עומדים ביחס ישר לשורש הריבועי של εr, רוב הכבלים המשמשים בת”ר (RF) מיוצרים מחומרים עם קבוע דיאלקטרי נמוך, בדרך כלל מ- PTFE (טפלון) ובמקרים מסוימים מצורן דו חמצני (SiO2). השימוש ב- PTFE נפוץ יותר מפני שקל לכופף את החומר הזה מבלי שייגרם לו נזק, לעומת ה- SiO2, שהוא חומר פריך שמתאים רק למכלולים של כבלים קשיחים למחצה. בכל הכבלים של Mini-Circuits משתמשים ב- PTFE, מאחר שברוב היישומים דרושה גמישות בדרגה טובה.
אחד החסרונות של המבנה הגמיש של PTFE יהיה כמובן האפשרות לשינויים במופע (פאזה) (וגם שינויים אחרים בביצועים), כתוצאה מכיפוף. כיפוף הכבל גורם לשינוי האורך הפיסי שלו בנקודת הכיפוף. הכיפוף יכול גם להקטין או לאבד את החומר הדיאלקטרי, את הסיכוך ואת השזירה סביב המוליך המרכזי, אשר עלול להשפיע גם הוא על האורך החשמלי ולגרום לשינויים במופע.
בתלות במבנה ובתכנון, לחלק מהכבלים תהיה רגישות גבוהה יותר לשינויים במופע עם הכיפוף מאשר לכבלים אחרים. הכבלים בסדרות T40 ו- T50 של Mini-Circuits מתוכננים ונבדקים באופן מיוחד בקשר ליציבות המופע בהשוואה לגמישות שלו. בהמשך נתאר הסבר של המתודולוגיה שבה משתמשים ב- Mini-Circuits כדי לאשר את הכשירות של יציבות המופע בדגמים אלו.
כיצד מודדים שינוי במופע
מדידת שינוי במופע לעומת גמישות כרוכה בחיבור הכבל אל נתח רשתות ווקטורי (VNA) ובסריקת המופע על פני התדירות עם מערך לכיפוף כבל ברדיוסים מוגדרים, על מנת להציג את השינויים המתאימים במופע. קיימים כמובן מערכים רבים שעליהם יכולנו לחשוב בבואנו למדוד את יציבות המופע, והאמינות של הפרמטר הזה תלויה בחוסנה של השיטה שבה משתמשים. חברת Mini-Circuits חקרה שיטות בדיקה מרובות על מנת לקבוע מהו התהליך האמין ביותר שבאמצעותו ניתן לאפיין את יציבות המופע בכבלי הבדיקות.
תוצאה לא צפויה שהתקבלה בשיטה “קשת צולבת” בשני חיבורים
המתקן דמוי הקשת הצולבת המוצג באיור 1 נבנה כאחד מהפתרונות האפשריים למדידה של ביצועי הכבלים לעומת הגמישות. במכשיר יש שתי זרועות שאותן אפשר לכוון כדי לתמוך בקצות המחברים כשהם מחוברים לחיבור 1 ולחיבור 2 של נתח VNA. הכבל כרוך סביב מוט של 10 ס”מ, אשר מחליק לאורך סרגל עם שנתות ויוצר רדיוס כיפוף מוגדר. איור אחד מציג את המערך עם המדידות שנעשו על הדגם T50–3FT–KMKM+ של Mini-Circuits ברדיוסים של 25.4 ס”מ, 8.25 ס”מ ו- 6.1 ס”מ.
איור 1: תקן “קשת צולבת” למדידת ביצועים של כבל לעומת ערכי רדיוס כיפוף של 25.4 ס”מ (10″), 8.25 ס”מ (3.25″) ו- 6.1 ס”מ (2.4″).
לכאורה, אפשר היה לצפות שהקשר בין רדיוס הכיפוף והשינוי במופע יהיה ליניארי. ואולם, הנתונים שנאספו ביחס לכבל בשיטה זו הניבו עקומה בעלת צורה פרבולית של המופע לעומת הגמישות. סביר להניח שתוצאה זו נובעת מריבוי של כיפופים רדיאליים בתצורה הבאה: שניים בכיוון האחד ואחד בכיוון ההפוך. הנתונים מבדיקה זו אינם שימושיים מפני שהם מציגים את הכבל כעמיד יותר לשינויים במופע בכיפופים הדוקים יותר, עובדה שמציגה סטייה מהביצועים החזויים.
איור 2: בדיקה של T50–3FT–KMKM+ בשיטת “הקשת הצולבת” עם שני חיבורים, מציגה יחס פרבולי בין השינויים במופע לבין הגמישות.
התהליך המועדף: השיטה של חיבור יחיד לצורך בדיקה
במערך המוצג באיור 3, כיול של חיבור יחיד בוצע בנתח VNA. היחידה הנבדקת (הכבל T50–3FT–KMKM+) חוברה לנתח VNA ובקצה השני חובר קצר כסיומת. לאחר מכן בוצע נרמול של נתח VNA. נעשה כיפוף של הכבל בכריכה שלמה (360 מעלות) סביב מוט עם רדיוס מוגדר בכיוון אחד, והמדידה בוצעה על ידי סריקה של מופע על פני התדירות. הכבל יושר ופעם נוספת בוצע נרמול של נתח VNA. המדידה השנייה בוצעה כשהכבל כרוך כריכה שלמה אחת בכיוון השני סביב מוט נוסף (שני) בצד השני. תהליך זה בוצע עבור רדיוס של 5.08 ס”מ (2″) ועבור רדיוס של 7.62 ס”מ (3″).
| שלב 4
– כריכת הכבל ב- 360 מעלות סביב מוט שמוצב בצד השני וביצוע מדידה – חזרה על השלבים 1 – 4 עם מוט ברדיוסים שונים |
שלב 3
– ביצוע נרמול נוסף |
שלב 2
– כריכת הכבל ב- 360 מעלות סביב מוט וביצוע מדידה |
שלב 1
– כיול בחיבור יחיד של נתח VNA – חיבור יחידה נבדקת עם קצר בקצה כסיומת – נרמול של נתח VNA עם היחידה הנבדקת במצב ישר |
איור 3: הצגה פשוטה של שיטת החיבור היחיד לבדיקת יציבות המופע לעומת הגמישות.
הנתונים שנאספו על הכבל בשיטה זו הראו את הקשר הליניארי הצפוי בין השינוי במופע לבין הגמישות. שיטה זו מונעת את ההשפעות שיש לכיפופים נוספים בכבל ושיש לגורמים אחרים שעלולים לעוות את המדידה, והנתונים שימושיים.
איור 4: בדיקה של T50–3FT–KMKM+ בשיטת החיבור היחיד, מראה את הקשר הצפוי בין שינוי המופע לבין הגמישות.
* S11 חולק לשניים על מנת לקבל את השינוי במופע
מסקנות
כל חברה בתעשיית ת”ר מבצעת בצורה שונה את תהליך המדידה של מופע לעומת גמישות, וכאשר בוחרים כבל ליישום שבו יציבות המופע היא התכונה הרצויה, חשוב להבין כיצד היצרנים מגדירים את המפרט שלה. חברת Mini-Circuits משתמשת בשיטת החיבור היחיד, המוסברת לעיל, כדי לבדוק את יציבות המופע בכל הכבלים המשמשים לבדיקת יציבות המופע בסדרות T40 ו- T50. הנתונים מבדיקה זו מוצגים בדפי הנתונים של כל הדגמים ממשפחות אלו.
איור 5: כבל בדיקה עם מופע יציב, T50–3FTVM+ של Mini-Circuits.
