Результатом всей работы и накопленного опыта стал мировой бестселлер в области метрологии - «Настольная книга инженера. Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик векторного анализа цепей» за авторством Джоэля Дансмора.

16 мая в рамках XIV Международного форума MetrolExpo’2018, который проходил в г.Москве на ВДНХ, компания Keysight Technologies и издательство «ТЕХНОСФЕРА» представили российское издание этой книги отечественным специалистам и профильным СМИ.

Мероприятие открыла менеджер по маркетингу российского офиса Keysight Technologies Ольга Бардашова, которая представила основных спикеров и поблагодарила собравшихся за проявленный интерес к новой книге.

- Я очень надеюсь, - заметил во вступительном слове Джоэль, - что моя книга будет живо воспринята и российскими инженерами, занимающимися проектированием СВЧ-устройств. Ранее она была издана на английском языке, а недавно увидело свет и китайское издание. Собственно, впервые в мире практически все существующие аспекты измерений в СВЧ-диапазоне собраны теперь в одном месте. Как известно, существует много неточностей и разночтений в английских и русских терминах, причем не только межязыковые, подчас и внутри одного инженерного сообщества. Поэтому пришлось много поработать над этим вместе с переводчиком и составить новый глоссарий. И теперь в связи с выходом книги в разных странах новые определения получили международное признание. Разумеется, эта книга – не единственный источник знаний по измерениям на СВЧ, которые проводятся во всем мире не один десяток лет. Но как часто в наше время оказывается, что не всегда традиционные подходы – самые лучшие. Да и инженерам порой сложно изменить свои привычные подходы, тогда как оборудование СВЧ за последние годы изменилось радикально, и между устоявшимися методиками измерений и новыми поколениями радиоэлектронной техники увеличивается разрыв. Чем глубже было понимание всего этого, тем больше росло убеждение, что именно я должен написать эту книгу. Ведь в Keisight Technologies я, с одной стороны, разработчик и проектировщик, а, с другой, - измеритель, который должен идти в ногу со временем. Еще у меня всегда есть хороший контакт с разработчиками ПО. Да и практически все мои патенты – о новых методиках измерений, которые описаны в книге. В общем, когда сложились все предпосылки, и родилась эта книга, в которой я хотел передать читателю знания и опыт, которые позволят повысить качество НИОКР и облегчат работу инженеров-метрологов. Возвращаясь к СВЧ-измерениям, стоит отметить, что за последние 20 лет в радиоэлектронной промышленности произошли революционные изменения, и немаловажную роль в этих переменах сыграла техника СВЧ. Взять хотя бы развитие стандартов беспроводной связи, которое движется во все более высокие диапазоны радиочастот, и, к примеру, перспективные сети 5G собираются работать чуть ли не на 80 ГГц. Успех разработки устройств СВЧ-диапазона непосредственно связан с качеством и широтой возможностей по анализу их технических параметров. Собственно, по техническим характеристикам измерительная аппаратура должна как минимум превосходить то, что на ней измеряется. И потому первенство в электронике определяется не собранными изделиями или производимой элементной базой, а разработкой измерительной техники (как, впрочем, и производством оборудования для производства микроэлектроники). Большая часть книги посвящена современным методикам проведения измерений, которые существенно изменились в результате расширения возможностей современных приборов. При этом иногда различия между устаревшими и новыми методиками настолько велико, что ему следует уделить особое внимание.

Представленная книга – это совокупность основ и передового опыта, теории и практики. К сожалению, границы этих понятий размыты и в значительной степени зависят от уровня образования и опыта читателя. В центре внимания – измерения активных и пассивных устройств с использованием новейших методик векторного анализа цепей (ВАЦ), в том числе конфигурации современных векторных анализаторов цепей, методики их калибровки, подходы к анализу полученных результатов измерений, неопределенностей и составляющих систематической погрешности. Значительная часть книги посвящена описанию наглядных практических примеров измерений параметров таких устройств, как кабели и соединители, линии передачи, фильтры, направленные ответвители, усилители и смесители, балансные устройства и пр. Эта информация будет полезна и для инженера-разработчика, и для инженера-метролога, поскольку одной из целей каждого тестирования аппаратуры является уточнение характеристик устройств, которые зачастую не соответствуют упрощенным моделям, используемым для их описания. На практике это непредвиденные отклики на тестовое воздействие, на определение причин которых разработчиками тратится наибольшее количество времени на этапе выявления неисправностей.

Что же касается упомянутого в названии книги анализа цепей, то это процесс, при помощи которого инженер-разработчик измеряет электрические параметры компонентов и схем, которые впоследствии используются в более сложных системах. Когда в подобных системах передаются сигналы, содержащие информацию, основной заботой инженера становится передача сигнала из одной точки в другую с максимальной эффективностью и минимальными искажениями. В свою очередь, ВАЦ представляет собой метод точной оценки параметров ВЧ и СВЧ компонентов путем измерения их влияния на фазовые и амплитудные характеристики зондирующего сигнала, который качается по частоте или по мощности. И потому сегодня ВАЦ – основной инструмент для измерения характеристик СВЧ-устройств. Ну а теперь давайте пройдемся по книге.

Глава 1 задумана как введение в теорию электромагнитных волн и устройств СВЧ-диапазона. Там же приведены важные математические выкладки, которые необходимы для понимания содержания последующих глав. Пришлось увязать математику и практические аспекты работы разных типов оборудования. Приведено описание некоторых типовых СВЧ-соединителей, линий передачи и устройств, здесь также обсуждаются основные типы средств измерений и вспомогательное оборудование. Эта глава особенно полезна для инженеров, не имеющих опыта измерений в ВЧ- и СВЧ-диапазонах.

Глава 2 посвящена особенностям в измеряемых устройствах, а также детальному рассмотрению основных конфигураций ВАЦ и их возможностей. Подобный уровень детализации обычно не требуется для обычных пользователей, но инженеры-метрологи, выполняющие измерения с очень высокой точностью, сочтут полезной информацию о том, какое влияние на результаты измерений оказывает конфигурация ВАЦ. К тому же сегодня не только разработчики, но и, главным образом, заказчики, хотят знать все мельчайшие подробности измерений. Поэтому пришлось свести все воедино в одной главе, чтобы труд и стал настольной практической книгой инженера. В книге приведена разработанная измерительная система Microwave Bridge - трансформатор измерительных параметров. Современный ВАЦ может решать широкий спектр измерительных задач, включая измерения нелинейных искажений, мощности и коэффициента шума, но, тем не менее, в его основе по-прежнему лежит измерение S-параметров. Поскольку на высоких частотах трудно измерить абсолютные значения напряжения и тока, обычно вместо них измеряются S-параметры. Эти параметры соотносятся с уже знакомыми нам понятиями, такими, как усиление, потери и коэффициент отражения. Их относительно легко измерить, кроме того, они не требуют подключения к тестируемому устройству дополнительных, нежелательных нагрузок. Измеренные S-параметры нескольких устройств в системе можно сложить для того, чтобы понять, как будет работать вся система в целом. Поэтому S-параметры широко используются в компьютерных приложениях по автоматизированному конструированию для симуляции как линейных, так и нелинейных схем. В свою очередь величины H-, Y-, Z-параметров могут быть, в случае необходимости, легко выведены из S-параметров. Возможно, наиболее сложным для понимания аспектом измерений с использованием ВАЦ является процесс калибровки и коррекции составляющих систематической погрешности измерений.

Глава 3 включает обзор моделей систематической погрешности измерений ВАЦ, методик калибровки, а также анализ составляющих систематической погрешности измерений и оценку результатов калибровки. Там же вводится понятие калибровки источника сигналов и приемника по уровню мощности, о которых, за исключением данной книги, в настоящее время доступно крайне мало систематизированной информации. В конце главы рассматривается ряд практических моментов, которые влияют на качество калибровки ВАЦ.

- Не секрет, - сказал Джоэль, - что наше оборудование отличается от любого другого, и мы можем достичь на нем очень высокой точности. К примеру, мощность, поступающая в систему и мощность, получаемая на выходе системы, являются одними из важнейших параметров для СВЧ-измерений. В книге впервые опубликованы основы коррекции подобных измерений, что ранее попросту отсутствовало в арсенале инженеров. И еще – в книге, наверное, впервые очень подробно описаны практические вопросы использования преобразований Фурье, чему, собственно, была посвящена моя диссертация и на чем основаны многие измерения.

Глава 4, вероятно, самая математически строгая и затрагивает крайне полезную тему анализа параметров цепей во временной области с помощью ВАЦ. В частности, освещена тема селекции и компенсации влияния различных неоднородностей, а также эффекты селекции.

Собственно, первые четыре главы составляют вводный курс в современные измерения параметров СВЧ-устройств. Оставшиеся главы сосредоточат внимание читателя на описании частных случаев таких измерений.

Глава 5 описывает фактическое измерительное оборудование и лице пассивных СВЧ-устройств, таких как кабели и соединители, линии передачи, фильтры (это воистину «сердце» мира СВЧ), вентили и направленные ответвители. Для каждого из этих устройств приводится передовой опыт и методики решения повседневных измерительных задач. К примеру, сети кабельного телевидения требуют своих особых измерений. На это также есть патент, и книга его дополняет, что, кстати, стало основой для соответствующего стандарта IEEE.

Еще одна важная часть мира СВЧ - спутниковые системы связи. В их измерениях нужна особая точность. Как выяснилось, Джоэль имел много бесед по этой части с представителями космической отрасли, в том числе с небезызвестным Илоном Маском из SpaceX, что дало дополнительную информацию, приведенную в книге.

В главе 6 собраны сведения об измерительных задачах, связанных с точнейшим измерением усилителей. Рассмотрены практические вопросы измерения усилителей с высоким коэффициентом усиления и усилителей сигналов большой мощности, включая импульсные ВЧ-измерения. Приведены методики измерения уровня шума с высокой точностью. Введено понятие нелинейных измерений на примере гармоник и двухтоновой интермодуляции, а также рассмотрены многие методики измерений нелинейных искажений и шумовых параметров, позволяющие использовать для испытаний в качестве измерительного приемника равноценно как анализатор спектра, так и современный ВАЦ. Усилители, как известно, самая дорогая часть любой СВЧ-системы. И даже небольшая ошибка в измерениях усилителей может сильно сказаться на стоимости всей системы. Здесь имеется в виду не только амплитудно-частотная или шумовая характеристики, но и то, какая часть энергии излучается по сравнению с зарядом аккумулятора, то есть эффективность использования энергии. К примеру, изменение потребления электроэнергии при охлаждении передатчика всего лишь на 1% может изменить цену системы на десятки процентов.

В главе 7 продолжается рассмотрение измерений параметров активных устройств на примере смесителей. Частотные преобразования имеют свои особенности, и часто инженеры не очень понимают, что именно они собираются измерить в смесителе. В книге описана и процедура проектирования, и как можно упростить понимание, что представляет собой смеситель. Глава начинается с детального обсуждения основных конструкций и особенностей преобразователей частот и смесителей. Методики измерений параметров смесителей могут быть довольно сложными, особенно это касается фазочастотной характеристики и задержки сигнала. Приведен новый метод калибровки по фазовой опоре, впервые описанный подробно. Рассмотрены методики измерений зависимостей характеристик смесителей от уровней мощности сигнала ВЧ и гетеродина, а также нелинейных характеристик и шумовых параметров.

В главе 8 дается понятие о дифференциальных и балансных устройствах и представлено детальное описание методик измерений и анализа параметров дифференциальных устройств, включая нелинейные характеристики, коэффициент шума и нелинейные искажения.

Глава 9 посвящена описанию ряда очень полезных для инженера-метролога методик и концепций, в особенности касательно измерительных приспособлений, включая полное описание процесса создания для них комплексов калибровочных мер. Джоэль уточнил, что инженеру-метрологу излишне напоминать, что СВЧ-измерения – это наука о контактах. И что важнейшим фактором, который необходимо всегда иметь в виду, является состояние используемых коаксиальных кабелей.

В общем, в книге присутствует собрание всех приемов, используемых для измерений. К примеру, сложные измерения для производителей радиолокационных систем на выходе имеют под собой решение таких практических задач, как, например, насколько должен изменить траекторию самолет, чтобы разойтись с другим самолетом. Измерения интегральных схем, являющихся основой мобильных телефонов, - другая крайне важная на сегодня задача. И таких задач будет еще много. Их решению поможет книга, где, по большей части, нет уравнений, а есть 30-летний опыт решения практических задач, поскольку Джоэлю часто приходилось выполнять роль главного архитектора по проектированию измерительного оборудования. Разумеется, ему довелось приложить руку и к созданию основного прибора Keysight – векторного анализатора спектра PNA. Этот прибор может производить сразу все измерения, о которых говорилось выше, и это был первый в мире такой прибор (к примеру, прибор N5290A PNA работает в диапазоне частот 900 Гц – 110 ГГц). Справедливости ради следует сказать, что сегодня это уже не единственный прибор с подобным функционалом, и, как отметил Джоэль, российская компания «Микран» ведет работу в том же направлении (на выставке она представила векторный анализатор спектра, работающий до 50 ГГц).

Впрочем, книга отнюдь не о компании Keysight Technologies, и не о ее приборах. В ней есть ссылки и на оборудование других производителей, и на методики измерений различных компаний. Да и в лабораториях Keysight присутствует оборудование разных производителей, чтобы специалисты могли сравнивать не только приборы конкурентов, но и методики, и точность измерений.

- Правда, иногда на оборудовании Keysight измерения получаются лучше, но это лишь потому, что это лучшее оборудование в мире, - пошутил Джоэль.

Впрочем, в каждой шутке, как известно, есть только доля шутки.

Часто Джоэля спрашивают – зачем вам была нужна эта книга?

- Ну, хотя бы затем, - отвечает он, - что когда на мою электронную почту поступает очередной вопрос о каких-нибудь измерениях (а таких вопросов бывает минимум два в сутки), я могу не тратить много времени на ответ, написав что-нибудь типа – смотрите мою книгу на страницах 110-115, там все подробно написано. А вообще-то, когда держишь в себе такой большой пласт знаний и можешь популярно изложить его для коллег во всем мире, то почему нет?

Кстати, существующие методики измерений продолжают улучшаться, и разрабатываются новые методики. Когда на них будут получены патенты, выйдет и второе издание этой книги (оно уже готовится), где будет на 20% больше информации (или на 120 страниц).

Выступивший далее Евгений Харитонов из ФГБУ Главного научно-метрологического центра Минобороны России был переводчиком книги. Он, в частности, рассказал, что книга на русском языке готовилась к печати 4 года и является фундаментом для выстраивания терминологического аппарата по СВЧ-измерениям в России. Расхождения в терминологии встречаются не только здесь, но и в других странах, включая США. Однако общими усилиями, как представляется, удалось передать в оригинальном виде все, что написал Джоэль.

В конце встречи автору удалось побеседовать с Джоэлем. Вспоминая 80-е годы, выяснилось, что им обоим довелось поработать тогда с одним и тем же измерителем АЧХ и Тш Hewlett Packard 8970, о котором они сохранили самые лучшие воспоминания (позже от Hewlett Packard отпочковалась HP, потом Hewlett Packard превратился в Agilent Technologies, а 4 года назад – в Keysight Technologies). Кто помнит, как ранее проводились измерения коэффициента шума, сразу оценит удобство получения на одном экране частотных зависимостей амплитуды и шумовой температуры, серьезно ускоряющее разработку СВЧ-устройств.

Ну а дальше был самый главный вопрос – если сегодня Джоэль Дансмор является держателем множества отраженных в книге компетенций, то готовит ли он себе смену? Кто подхватит ваш флаг научного, методологического, метрологического лидерства?

- О да, - отвечал Джоэль. – У нас в компании есть один молодой парень, которого я постарался научить всему, о чем я здесь рассказывал. Думаю, он справится.

- Ну, хорошо, а если он уйдет из компании? Если его, в конце концов, сманят конкуренты?

- Это вряд ли, - хитро улыбнулся Джоэль.

- ???

- Я выдал за него свою дочь!

Завершилась эта интересная встреча под звон бокалов с шампанским и пожелания Джоэлю продолжения начатой более 30 лет назад работы, а российским инженерам – дальнейших успехов. Остается завершить статью словами Томаса Джефферсона: «Я согласен с идеей, что среди людей существует естественная аристократия. Основы для нее – это добродетель и талант».