eng
Содержание
Предисловие ко второму изданию на русском языке 15
Предисловие к первому изданию на русском языке 16
Предисловие ко второму изданию 17
Предисловие к первому изданию 19
Введение ко второму изданию 21
Введение к первому изданию 23
Благодарности автора за второе издание 25
Благодарности автора за первое издание 26
Список сокращений 27
Глава 1. Введение в СВЧ-измерения 28
1.1.
Современный измерительный процесс 29
1.2.
Практический взгляд на измерения 30
1.3.
Описание параметров СВЧ-устройств 31
1.3.1.
Базовые знания об S-параметрах 31
1.3.2.
Фазовая характеристика цепей 39
1.4.
Показатели мощности 41
1.4.1.
Падающая и отраженная мощность 41
1.4.2.
Номинальная мощность 41
1.4.3.
Поглощенная мощность 42
1.4.4.
Номинальная мощность на выходе цепи 42
1.4.5.
Номинальный коэффициент усиления 43
1.5.
Коэффициент шума и шумовые параметры 43
1.5.1.
Шумовая температура 45
1.5.2.
Эффективная или избыточная входная шумовая температура 45
1.5.3.
Избыточная мощность шума и рабочая температура 45
1.5.4.
Спектральная плотность мощности шума 46
1.5.5.
Шумовые параметры 46
1.6.
Параметры нелинейных искажений 47
1.6.1.
Гармоники 47
1.6.2.
Точка пересечения второго порядка точка пересечения 48
1.6.3.
Двухтоновые интермодуляционные искажения 49
1.6.4.
Мощность в соседнем канале и коэффициент уровня сигнала
в соседнем канале 51
1.6.5.
Коэффициент мощности шума 53
1.6.6.
Амплитуда вектора ошибки 54
1.7.
Особенности СВЧ-устройств 55
1.8.
Пассивные СВЧ-устройства 56
1.8.1.
Кабели, соединители и линии передачи 56
1.8.2.
Переходы и соединители 61
1.8.3.
Некоаксиальные линии передачи 74
1.9.
Фильтры 79
1.10.
Направленные ответвители 81
1.11.
Циркуляторы и вентили 84
1.12.
Антенны 85
6
Содержание
1.13.
Компоненты печатных плат 86
1.13.1.
SMT-резисторы 86
1.13.2.
SMT-конденсаторы 89
1.13.3.
SMT-дроссель 90
1.13.4.
Межслойные переходные отверстия печатных плат 91
1.14.
Активные СВЧ-устройства 91
1.14.1.
Линейные и нелинейные устройства 92
1.14.2.
Усилители: широкополосные, малошумящие, большой мощности 92
1.14.3.
Смесители и преобразователи частот 93
1.14.4.
Умножители и делители частот, ограничители мощности 96
1.14.5.
Генераторы сигналов 97
1.15.
Средства измерений 98
1.15.1.
Измерители мощности 98
1.15.2.
Источники сигналов 100
1.15.3.
Анализаторы спектра 101
1.15.4.
Векторные анализаторы сигналов 102
1.15.5.
Измерители коэффициента шума 103
1.15.6.
Анализаторы цепей 104
Список использованной литературы 107
Глава 2. Измерительные системы
на базе ВАЦ 108
2.1.
Вступление 108
2.2.
Блок-схема ВАЦ 109
2.2.1.
Источники сигналов ВАЦ 112
2.2.2.
Смысл термина «согласование источника» 114
2.2.3.
Измерительный блок ВАЦ 121
2.2.4.
Направленные устройства 124
2.2.5.
Приемники ВАЦ 131
2.2.6.
Обработка сигнала ПЧ 136
2.2.7.
Многопортовые ВАЦ 137
2.2.8.
Измерительные системы высокой мощности 146
2.2.9.
ВАЦ с КВЧ выносными измерительными блоками 147
2.3.
Измерения линейных характеристик в СВЧ-диапазоне с использованием
ВАЦ 149
2.3.1.
Ограничения при измерениях с помощью ВАЦ 150
2.3.2.
Ограничения, связанные с внешними элементами измерительной схемы 154
2.4.
Измерение величин, полученных из S-параметров 154
2.4.1.
Диаграмма Вольперта — Смита 155
2.4.2.
Преобразование S-параметров при изменении величины опорного
импеданса 161
2.4.3.
Каскадные цепи и T-параметры 162
2.5.
Моделирование цепей с использованием Y- и Z-преобразования 164
2.5.1.
Преобразование величин отражения 164
2.5.2.
Преобразования величин передачи 165
2.6.
Прочие линейные параметры 165
2.6.1.
Z-параметры, или параметры импеданса разомкнутой цепи 166
Содержание 7
2.6.2.
Y-параметры, или параметры адмиттанса короткозамкнутой цепи 168
2.6.3.
ABCD-параметры 168
2.6.4.
H-параметры, или гибридные параметры 169
2.6.5.
Комплексные преобразования и неравные опорные импедансы 170
Список использованной литературы 170
Глава 3. Калибровка и векторная коррекция погрешности измерений 171
3.1.
Вступление 171
3.1.1.
Линейные методы измерений S-параметров и коррекция погрешностей 173
3.1.2.
Измерения мощности с помощью ВАЦ 177
3.2.
Теоретические основы коррекции систематической погрешности
измерений S-параметров: этап применения калибровки 180
3.2.1.
12-элементная модель погрешности измерений 181
3.2.2.
Однопортовая модель систематической погрешности измерений 182
3.2.3.
8-элементная модель систематической погрешности измерений 183
3.3.
Определение составляющих систематической погрешности: этап сбора
данных для 12-элементной модели 186
3.3.1.
Составляющие систематической погрешности измерений
параметров однопортового устройства 187
3.3.2.
Однопортовые меры КО 189
3.3.3.
Составляющие систематической погрешности двухпортовых устройств 197
3.3.4.
От 12-элементной модели систематической погрешности
к 11-элементной 202
3.4.
Определение составляющих систематической погрешности измерений:
этап сбора данных для 8-элементной модели 203
3.4.1.
Меры для TRL-калибровки и нескорректированные измерения 203
3.4.2.
Особые случаи TRL-калибровки 208
3.4.3.
Калибровка по неизвестной мере КП, или SOLR 209
3.4.4.
Область применения калибровки по неизвестной мере КП 211
3.4.5.
QSOLT-калибровка 213
3.4.6.
Электронная, или автоматическая, калибровка 213
3.5.
Калибровки в волноводных трактах 218
3.6.
Калибровка мощности источника сигналов 220
3.6.1.
Калибровка частотной зависимости мощности источника сигналов 220
3.6.2.
Калибровка с учетом рассогласования датчика мощности 222
3.6.3.
Калибровка линейности мощности источника сигналов 224
3.7.
Калибровка приемника по мощности 226
3.7.1.
Небольшой экскурс в историю 226
3.7.2.
Современные методы калибровки по мощности приемников 227
3.7.3.
Коррекция частотной характеристики измерительного приемника
прошедшей волны 232
3.7.4.
Волны мощности и фактические параметры волны 235
3.8.
«Call All» или одновременная калибровка нескольких измерительных
каналов 236
3.9.
Методики многопортовой калибровки 242
3.9.1.
Калибровки систем с N 2 измерительных портов: коммутационные
измерительные приставки 242
8
Содержание
3.9.2.
N-портовая калибровка: полнофункциональные многопортовые ВАЦ 245
3.10.
Автоматическая калибровка «по месту»: модули CalPod 249
3.10.1.
Инициализация модулей CalPod и восстановление калибровки 251
3.10.2.
Использование модулей CalPod в качестве электронных
калибраторов: режим «CalPod-as-Ecal» 253
3.11.
Частичные калибровки 254
3.11.1.
Калибровка по отклику 255
3.11.2.
Расширенная калибровка по отклику 256
3.12.
Определение величин составляющих неисключенной систематической
погрешности 259
3.12.1.
Погрешности измерений параметров отражения 259
3.12.2.
Использование воздушной линии для определения составляющих
неисключенной систематической погрешности измерений 260
3.13.
Расчет неопределенностей результатов измерений 273
3.13.1.
Неопределенность измерений параметров отражения 274
3.13.2.
Неопределенность мощности источника сигналов 274
3.13.3.
Неопределенность измерений мощности (неопределенность
приемника) 276
3.14.
Неопределенность измерений параметров передачи или S21 277
3.14.1.
Основное выражение для расчета неопределенности измерений S21 279
3.14.2.
Оценка динамической неопределенности измерений 279
3.15.
Погрешность измерений фазы 283
3.16.
Практические ограничения калибровки 284
3.16.1.
Гибкость кабелей 285
3.16.2.
Изменение мощности после калибровки 286
3.16.3.
Компенсация изменений величины ослабления ступенчатого
аттенюатора 289
3.16.4.
Повторяемость соединителей 292
3.16.5.
Шумовые эффекты 293
3.16.6.
Дрейф: кратковременная и долговременная составляющие 295
3.16.7.
Интерполяция составляющих погрешности 296
3.16.8.
Качество калибровки электронных калибраторов в сравнении
с механически подключаемыми калибровочными комплектами 299
Список использованной литературы 300
Глава 4. Преобразования во временную область 302
4.1.
Вступление 302
4.2.
Преобразование Фурье 303
4.2.1.
Непрерывное преобразование Фурье 303
4.2.2.
Четные и нечетные функции и преобразование Фурье 304
4.2.3.
Теорема о модуляции (теорема о сдвиге) 304
4.3.
Дискретное преобразование Фурье 305
4.3.1.
Быстрое преобразование Фурье и обратное быстрое преобразование
Фурье 306
4.3.2.
Дискретное преобразование Фурье 308
4.4.
Сравнение аналитического преобразования Фурье и преобразования
во временную область, выполняемого ВАЦ 308
Содержание 9
4.4.1.
Определение преобразования Фурье 309
4.4.2.
Влияние дискретной выборки 310
4.4.3.
Эффекты частотного среза 312
4.4.4.
Использование оконных функций для уменьшения эффектов обрезки 314
4.4.5.
Масштабирование и перенормировка 316
4.5.
Режимы преобразования low-pass и band-pass 317
4.5.1.
Измерение импульсной характеристики в low-pass-режиме 317
4.5.2.
Экстраполяция в область постоянных токов 318
4.5.3.
Измерение переходной характеристики в low-pass-режиме 318
4.5.4.
Полосно-пропускающий (band-pass) режим 320
4.6.
Фильтрация во временной области 322
4.6.1.
Потери в результате фильтрации и перенормировка 323
4.7.
Примеры преобразований во временную область для различных цепей 326
4.7.1.
Характеристика во временной области изменений волнового
сопротивления линии передачи 326
4.7.2.
Характеристика дискретных неоднородностей во временной области 328
4.7.3.
Характеристики различных цепей во временной области 329
4.8.
Влияние маскирования и фильтрации на погрешность измерений 329
4.8.1.
Компенсация изменений волнового сопротивления линии 330
4.8.2.
Компенсация дискретных неоднородностей 331
4.8.3.
Фильтрация во временной области 332
4.8.4.
Оценка пределов погрешностей, возникающих вследствие эффекта
маскирования 337
4.9.
Измерение передаточной характеристики во временной области
с помощью ВАЦ 337
4.10.
Заключение 342
Список использованной литературы 342
Глава 5. Измерения параметров линейных пассивных устройств 343
5.1.
Линии передачи, кабели и соединители 343
5.1.1.
Калибровка для измерений параметров устройств с малыми
потерями, имеющих соединители 344
5.1.2.
Измерение электрически длинных устройств 347
5.1.3.
Измерения ослабления 351
5.1.4.
Измерения возвратных потерь 371
5.1.5.
Длина кабеля и задержка 383
5.2.
Фильтры и измерения их параметров 384
5.2.1.
Типы фильтров и степень их сложности 385
5.2.2.
Дуплексеры и диплексоры 385
5.2.3.
Измерение параметров высококачественных настраиваемых фильтров 386
5.2.4.
Измерения частотной характеристики передачи 390
5.2.5.
Взаимосвязь скорости измерений и их динамического диапазона 395
5.2.6.
Измерения в очень большом динамическом диапазоне 398
5.2.7.
Анализ особенностей калибровки 408
5.3.
Многопортовые устройства 410
5.3.1.
Дифференциальные кабели и линии 410
5.3.2.
Ответвители 411
10
Содержание
5.3.3.
Гибридные мосты, разветвители и делители 414
5.3.4.
Циркуляторы и вентили 418
5.4.
Резонаторы 420
5.4.1.
Характеристика резонатора на диаграмме Вольперта — Смита 420
5.5.
Измерения параметров антенн 422
5.6.
Выводы 424
Список использованной литературы 425
Глава 6. Измерения параметров усилителей 426
6.1.
Усилители как линейные устройства 426
6.1.1.
Предварительные измерения параметров усилителя 427
6.1.2.
Оптимизация настроек ВАЦ для выполнения калибровки 430
6.1.3.
Калибровка для измерений параметров усилителей 431
6.1.4.
Измерения параметров усилителей 436
6.1.5.
Анализ результатов измерений параметров усилителей 443
6.1.6.
Сохранение результатов измерений параметров усилителей 454
6.2.
Измерения компрессии усиления 459
6.2.1.
Определения понятия компрессии 459
6.2.2.
АМ-ФМ, или фазовая, компрессия 464
6.2.3.
Зависимость характеристик компрессии усиления и фазы от частоты 465
6.2.4.
Применение измерений компрессии усиления, адаптивная развертка
и ее безопасный режим работы 466
6.3.
Измерение параметров усилителей с высоким коэффициентом усиления 474
6.3.1.
Схема измерений параметров усилителей с большим
коэффициентом усиления 476
6.3.2.
Особенности калибровки 477
6.4.
Измерение параметров усилителей высокой мощности 480
6.4.1.
Конфигурации для формирования тестовых сигналов высокой
мощности 480
6.4.2.
Конфигурации для приема сигналов высокой мощности 483
6.4.3.
Калибровки по мощности, предварительная коррекция
и посткоррекция уровня мощности 485
6.5.
Импульсные СВЧ-измерения 487
6.5.1.
Сравнение широкополосных и узкополосных измерений 488
6.5.2.
Измерения формы импульсного сигнала 492
6.5.3.
Измерения от импульса к импульсу 494
6.5.4.
Измерения параметров питания на постоянном напряжении при
использовании в качестве тестового сигнала радиоимпульсов 495
6.6.
Измерения нелинейных искажений 498
6.6.1.
Измерение гармонических составляющих спектра выходного
сигнала усилителей 498
6.7.
Измерение параметров усилителей Догерти 504
6.8.
X-параметры, измерения с изменяемой величиной импеданса нагрузки,
активные нагрузки и «горячие» S-параметры 509
6.8.1.
Нелинейные характеристики и X-параметры 509
6.8.2.
Измерения с изменяемым согласованием источника и нагрузки,
построение линий равных значений параметров, зависящих от нагрузки 513
Содержание 11
6.8.3.
«Горячие» S-параметры и истинный «горячий» S22 520
6.9.
Выводы по измерениям параметров усилителей 532
Список использованной литературы 532
Глава 7. Измерения параметров смесителей и преобразователей частот 533
7.1.
Характеристики смесителей 533
7.1.1.
Малосигнальная модель смесителей 536
7.1.2.
Взаимность смесителей 541
7.1.3.
Скалярные и векторные характеристики 544
7.2.
Смесители в сравнении с преобразователями частот 544
7.2.1.
Особенности проектирования преобразователей частот 546
7.2.2.
Многоступенчатое преобразование частот и предотвращение
возникновения паразитных составляющих 547
7.3.
Смесители как 12-портовые устройства 548
7.3.1.
Коэффициенты преобразования смесителя 549
7.4.
Измерение параметров смесителей: частотная характеристика 553
7.4.1.
Вступление 553
7.4.2.
Амплитудно-частотные характеристики 554
7.4.3.
Фазочастотные характеристики 558
7.4.4.
ГВЗ и модуляционные методы 570
7.4.5.
Измерения с изменяемой частотой гетеродина 572
7.5.
Калибровка для измерений параметров смесителей 580
7.5.1.
Калибровка по мощности 581
7.5.2.
Калибровки для измерений фазовых характеристик 583
7.5.3.
Определение набега фазы и задержки сигнала взаимного
калибровочного смесителя 586
7.6.
Измерения зависимостей параметров смесителей от мощности входных
сигналов 600
7.6.1.
Измерения зависимости параметров смесителя от уровня мощности
сигнала гетеродина 600
7.6.2.
Измерения параметров смесителей в зависимости от уровня
мощности сигнала ВЧ 605
7.7.
Интермодуляционные искажения третьего порядка в смесителях 609
7.7.1.
Зависимость ИМИ от уровня мощности сигнала гетеродина 610
7.7.2.
Зависимость ИМИ от уровня мощности сигнала ВЧ 612
7.7.3.
Частотные зависимости ИМИ смесителя 614
7.8.
Коэффициент шума смесителей и преобразователей частот 616
7.9.
Особые случаи 616
7.9.1.
Смесители с умножителями в тракте ВЧ или гетеродина 617
7.9.2.
Измерения в режиме сегментированного качания частоты 618
7.9.3.
Измерения продуктов преобразования высокого порядка 619
7.9.4.
Смесители со встроенным гетеродином 625
7.9.5.
Преобразователи частот с большим коэффициентом усиления или
сигналов высокой мощности 628
7.10.
I/Q-преобразователи и модуляторы 630
7.11.
Выводы по измерениям параметров смесителей 643
Список использованной литературы 644
12
Содержание
Глава 8. Анализ спектра: измерения параметров искажений и модуляции 645
8.1.
Режим анализа спектра в векторных анализаторах цепей 646
8.1.1.
Основы спектрального анализа 646
8.1.2.
Структурные схемы анализаторов спектра. Аппаратное подавление
зеркального канала в сравнении с программным 652
8.1.3.
Свойства повторяющихся во времени сигналов и измерение
параметров их спектра 660
8.1.4.
Когерентный анализ спектра 676
8.1.5.
Калибровка анализатора спектра для измерений мощности 686
8.1.6.
Измерения при воздействии двух гармонических сигналов на входе
ИУ, интермодуляционные искажения, точка пересечения третьего
порядка 690
8.1.7.
Методики измерений интермодуляционных составляющих третьего
порядка TOI 694
8.1.8.
Измерения интермодуляционных искажений в диапазоне частот 696
8.1.9.
Оптимизация результатов измерений 699
8.2.
Измерение параметров искажений комплексно модулированных сигналов 704
8.2.1.
Измерения мощности в соседнем канале 705
8.2.2.
Измерения коэффициента мощности шума 708
8.2.3.
Качество NPR-сигнала и его коррекция 713
8.2.4.
Оценка EVM на основе измерений уровня искажений 717
8.3.
Измерение параметров паразитных сигналов с помощью ВАЦ в режиме
анализа спектра 727
8.3.1.
Паразитные сигналы на расчетных частотах 728
8.3.2.
Многопортовые измерения параметров паразитных
комбинационных составляющих смесителя 731
8.3.3.
Паразитная генерация 732
8.4.
Измерение параметров спектра радиоимпульсов и анализ спектра
с временной селекцией 735
8.4.1.
Особенности спектра радиоимпульса 735
8.4.2.
Анализ спектра с временной селекцией 737
8.5.
Заключение 740
Список использованной литературы 740
Глава 9. Измерение коэффициента шума и мощности шума 741
9.1.
Измерения коэффициента шума усилителей 741
9.1.1.
Определение коэффициента шума 742
9.1.2.
Измерения мощности шума 743
9.1.3.
Расчет коэффициента шума из мощностей шума 747
9.1.4.
Расчет коэффициента шума по результатам измерений Y-фактора 749
9.1.5.
Метод «холодного» источника 751
9.1.6.
Шумовые параметры 753
9.1.7.
Результаты измерения шумовых параметров 760
9.1.8.
Коррекция составляющих систематической погрешности измерений
КШ 762
9.2.
Измерения коэффициента шума активных антенн (G/T) 764
9.3.
Коэффициент шума смесителей и преобразователей частот 768
Содержание 13
9.3.1.
Метод Y-фактора для смесителей 769
9.3.2.
Метод «холодного» источника для смесителей 771
9.4.
Прочие измерения, связанные с шумом 777
9.4.1.
Измерения мощности шума с использованием режима анализа
спектра ВАЦ 777
9.4.2.
Измерения мощности шума 778
9.4.3
Измерения коэффициента шума в режиме анализа спектра 781
9.4.4.
Измерения уровня несущей по отношению к мощности шума 782
9.5.
Оценка суммарной погрешности, верификация и повышение качества
измерений КШ 783
9.5.1.
Оценка суммарной погрешности измерений КШ 783
9.5.2.
Существующие методы 784
9.5.3.
Методы повышения качества измерений КШ 795
9.6.
Выводы по измерениям мощности шума и коэффициента шума 798
Список использованной литературы 798
Глава 10. Балансные измерения с помощью ВАЦ 799
10.1.
S-параметры балансных устройств 799
10.2.
Трехпортовые балансные устройства 804
10.3.
Примеры измерений параметров балансных устройств 806
10.3.1.
Пассивные дифференциальные устройства: балансные линии
передачи 806
10.3.2.
Измерение параметров дифференциальных усилителей 811
10.3.3.
Измерение параметров дифференциальных усилителей
в нелинейном режиме 813
10.4.
ВАЦ с режимом полноценного балансного входного воздействия для
нелинейного анализа 819
10.4.1.
Приборы для измерений в полноценном балансном режиме 819
10.4.2.
Измерения в режиме полноценного балансного входного воздействия 822
10.4.3.
Определение фазовой асимметрии (расфазировки)
дифференциального устройства 827
10.4.4.
Измерение параметров гармонических искажений
дифференциальных устройств 830
10.5.
Исследование параметров дифференциальных устройств
с использованием гибридных мостов, трансформаторов
и симметрирующих устройств 838
10.5.1.
Сравнение симметрирующих трансформаторов и гибридных мостов 839
10.5.2.
Использование гибридных мостов и симметрирующих устройств
с двухпортовыми ВАЦ 843
10.6.
Измерение параметров нелинейных искажений дифференциальных
устройств 846
10.6.1.
Сравнение результатов измерений IMD в небалансном
и полноценном режимах 848
10.6.2.
Измерение параметров ИМИ дифференциальных устройств без
использования симметрирующих устройств 851
10.7.
Измерения коэффициента шума дифференциальных устройств 855
10.7.2.
Измерительная установка 858
14
Содержание
10.8.
Выводы по измерениям параметров дифференциальных устройств 862
Список использованной литературы 863
Глава 11. Нестандартные методики измерений 864
11.1.
Создание собственного калибровочного комплекта 864
11.1.1.
Пример калибровочной печатной платы 865
11.1.2.
Определение параметров измерительных приспособлений
на печатных платах 866
11.2.
Учет и исключение влияния оснастки на результаты измерений 884
11.2.1.
Математический аппарат функции de-embedding 886
11.3.
Определение S-параметров измерительных приспособлений 888
11.3.1.
Описание параметров измерительных приспособлений
с использованием однопортовой калибровки 889
11.4.
Автоматическое фазовое удлинение портов 896
11.5.
Автоматическое исключение влияния измерительных приспособлений
с использованием анализа во временной области 902
11.5.1.
Двухпортовое автоматическое исключение влияния измерительных
приспособлений 902
11.5.2.
Учет параметров соединителей измерительного приспособления
для подключения ИУ при использовании функции AFR 908
11.5.3.
Автоматическое исключение влияния измерительных
приспособлений в однопортовом режиме измерений 910
11.6.
Встраивание элементов согласования портов 912
11.7.
Преобразование величины импеданса 915
11.8.
Применение функции de-embedding в отношении устройств
с большими потерями 916
11.9.
Понимание стабильности измерительной системы 920
11.9.1.
Определение стабильности передаточной характеристики кабелей 920
11.9.2.
Определение стабильности кабеля по величине согласования 920
11.9.3.
Стабильность трекинга отражения 924
11.10.
Некоторые финальные комментарии 925
Список использованной литературы 925
Приложение А. Физические константы 926
Приложение Б. Наиболее распространенные типы ВЧ- и СВЧ-соединителей 927
Приложение В. Наиболее распространенные типы волноводов 929
Приложение Г. Параметры полиномиальных моделей мер ХХ и КЗ из состава
некоторых серийных калибровочных комплектов 930
Приложение Д. Частота, длина волны и период 933
Предметный указатель 934
Среди огромного количества книг по теории электротехники и измерений на сверх-
высоких частотах (СВЧ) монография Джоэля Дансмора выделяется практической на-
правленностью и глубиной проработки крайне важного и актуального вопроса — при-
менения современных векторных анализаторов цепей (ВАЦ) для измерений параметров
устройств СВЧ-диапазона.
Многолетний опыт автора в проектировании и практическом применении ВАЦ по-
зволил структурировать большой объем накопленных знаний и изложить их в доступ-
ной для читателя форме. Наглядные и детально разобранные примеры решения задач
по измерению параметров СВЧ-устройств, встречающихся в инженерной практике,
значительно повышают практическую ценность предлагаемого материала. Все это по-
зволяет надеяться, что данная монография станет частью теоретического фундамента
в области современных СВЧ-измерений и будет способствовать повышению эффектив-
ности применения российскими инженерами возможностей современных ВАЦ.
В данной работе материал излагается автором не сухим языком терминов, а с точки
зрения культуры и понимания самого измерительного процесса, его места в инженер-
ной практике и роли измерительного оборудования в целом и ВАЦ в частности. Автор
акцентирует внимание инженеров на важности понимания того, что они ожидают уви-
деть на экране прибора, и весь теоретический аппарат строит вокруг этой концепции.
Во втором издании, переработанном и дополненном, автор уделил особое внима-
ние новым функциональным возможностям современных ВАЦ, обусловленным непре-
рывным развитием и усложнением систем связи и высокоскоростной передачи данных.
Так появилась новая глава, посвященная измерениям параметров спектра сигналов
на выходе исследуемых устройств и искажений, вносимых непосредственно этими
устройствами в спектр широкополосного модулированного входного сигнала. В отдель-
ной главе обобщены все сведения об измерениях параметров шума, определяющих ка-
чество систем связи.
Представленные материалы будут полезны для инженеров-метрологов, в том числе
при разработке исходных эталонов радиотехнических величин, а также позволят кор-
ректно оценивать метрологические характеристики ВАЦ при их испытаниях. Препо-
даватели и студенты высших учебных заведений, без сомнения, также найдут много
полезных сведений, которые можно использовать в процессе обучения.
Малай Иван Михайлович,
доктор технических наук, доцент,
заместитель генерального директора ФГУП «ВНИИФТРИ»
по радиотехническим и электромагнитным измерениям
Я чрезвычайно рада представить вашему вниманию книгу моего коллеги Джоэля Данс-
мора «Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик век-
торного анализа цепей», русское издание которой вы держите сейчас в руках.
Считаю выход этой по-настоящему настольной книги метрологов и разработчи-
ков на русском языке очень своевременным событием, которое, уверена, не останется
незамеченным.
Задачи развития и совершенствования таких важнейших направлений российской
экономики, как радиоэлектронная и телекоммуникационная отрасли, стоят сейчас не-
обычайно остро, поскольку эти отрасли промышленности обеспечивают функциониро-
вание всех жизненно важных элементов государственной инфраструктуры гражданско-
го и оборонного назначения. При этом растет понимание, что только с использованием
новейших контрольно-измерительных решений на всех без исключения этапах разра-
ботки электронных устройств можно добиться выпуска высококачественной продук-
ции, способной обеспечить успех программы импортозамещения в радиоэлектронике.
Книга Джоэля Дансмора — это практическое руководство по выполнению изме-
рений, и я уверена, что российские метрологи и разработчики по достоинству оценят
ее и, вооружившись знаниями, опытом и рекомендациями автора, станут авторами рос-
сийских прорывных технологий в области СВЧ-электроники.
Отдельно хочу поблагодарить всех, кто способствовал выходу книги на русском
языке: Евгения Харитонова (старший научный сотрудник Главного научного метроло-
гического центра), который не только переводил этот непростой труд на русский язык,
но и вместе с Евгением Андроновым (Keysight Technologies), Константином Рощиным
(Keysight Technologies) и Александром Бондаренко (Главный научный метрологический
центр) отвечал за научную редакцию текста. Весьма ценную работу по редактированию
русского издания книги провели научные сотрудники Томского университета систем
управления и радиоэлектроники (ТУСУР): профессор, доктор физико-математических
наук Гошин Г. Г., старший научный сотрудник, кандидат технических наук Савин А. А.
и старший научный сотрудник, кандидат технических наук Ульянов В. Н.; без их экс-
пертного мнения и деятельного участия в синхронизации русской и английской тер-
минологии русское издание книги Дансмора не было бы столь профессиональным.
Ну и, конечно, особая благодарность издательству РИЦ «ТЕХНОСФЕРА» за сотрудни-
чество и терпение!
Желаем вам больших творческих успехов в работе!
С уважением,
Смирнова Галина Владимировна,
генеральный директор Российского отделения Keysight Technologies
март 2018
Достижения в области высоких технологий постоянно меняют окружающий нас мир.
С началом нового десятилетия мы оказались на пороге крупномасштабного внедрения
сетей связи пятого поколения (5G), что повлечет за собой расширение спектра предо-
ставляемых услуг и увеличение количества абонентских устройств, при одновременном
повышении производительности сетей передачи данных на всех уровнях — от ядра до пе-
риферийных устройств. Развитие автомобильной техники связано с внедрением систем
автономного управления. В геометрической прогрессии растет количество подключен-
ных к сетям передачи данных устройств, установленных в наших домах, на предприя-
тиях и различных элементах инфраструктуры городов, включая устройства, которые мы
носим или надеваем на себя. Это лишь некоторые из изменений, которые происходят
в нашей жизни в результате развития технологий, и в будущем изменений и новшеств
будет все больше. Темпы внедрения инноваций и связанного с ними усложнения техно-
логий продолжают нарастать. Как и прежде, актуальным остается принцип: развитие
технологий немыслимо без прогресса в области измерительной техники. Проведение
соответствующих измерений позволяет подтвердить создание новой технологии, а впо-
следствии делает возможным ее отладку и внедрение с требуемыми уровнями качества,
производительности и рентабельности.
Современные технологии все чаще ставят перед нами измерительные задачи, тре-
бующие комплексных решений. Традиционных средств измерений для этого уже не-
достаточно. Конечно же, применение передовых инженерных решений при создании
аппаратной части остается немаловажным, но не менее важны и те широкие возмож-
ности, которые на ее базе предоставляет конечному пользователю специальное про-
граммное обеспечение. Продвинутые методики калибровки и выполнения измерений,
а также сложные алгоритмы обработки и графического представления их результатов
позволяют преобразовать сухие цифры в полезную и разностороннюю информацию
об объекте измерений, обеспечивающую более глубокое понимание сути происходящих
внутри него процессов. Это особенно актуально для измерений на сверхвысоких часто-
тах, включая измерения параметров элементов высокочастотных схем, выполняемых
с помощью векторных анализаторов цепей или измерительных установок на их основе.
Кроме того, зачастую одно и то же решение не может подходить для всего спектра воз-
можных измерительных задач. Различные варианты и условия применения обуславли-
вают отличия в вариантах исполнения приборов. В лабораториях и инженерных подраз-
делениях обычно используют настольные приборы. В условиях производства широкое
распространение получили модульные решения, обеспечивающие компактность и гиб-
кость при конфигурировании измерительных установок. В полевых условиях требуются
портативные, переносные приборы. При проведении исследований или в образователь-
ных целях могут быть полезны и другие варианты реализаций. Чаще всего специальное
программное обеспечение запускается на аппаратных ресурсах самого прибора, но по-
рой предпочтительнее, чтобы оно запускалось удаленно, на настольном компьютере
или даже на вычислительных ресурсах облачных сервисов.
Во втором издании своей всесторонне направленной книги доктор Джоэль Дансмор
еще более расширил и без того глубокое и оригинальное изложение основополагающих
концепций измерений параметров СВЧ-устройств, добавив новый и важный материал
по вопросам измерений с использованием модулированных сигналов и применения мо-
дульных приборов. Прочие дополнения касаются все возрастающей роли калибровки
18 Предисловие ко второму изданию
и метрологии в контексте решения измерительных задач, связанных с сетями передачи
данных пятого поколения (5G). Особый акцент сделан на ценности понимания метро-
логии как науки об измерениях, о том, как и почему мы получаем тот или иной результат
в процессе обработки их результатов. Доктору Дансмору все это по силам благодаря его
почти сорокалетнему опыту разработки и практической реализации передовых методик
измерений с применением современных достижений в области измерительной техники
и преподавательской деятельности, в ходе которой он делился своими идеями с дру-
гими людьми. Эта книга — один из новейших примеров практической реализации его
таланта к внедрению новейших технологий, которые призваны объединять и защищать
окружающий нас динамично изменяющийся мир.
Рон Нерсесиан,
председатель и генеральный
директор Keysight Technologies
За последние 20 лет в радиоэлектронной промышленности произошли революционные
изменения. Технические характеристики радиоэлектронных систем вышли на новый
качественный уровень: габаритные размеры аппаратных средств уменьшились, каче-
ство и надежность многократно возросли, а производственные затраты резко сократи-
лись. В основе всех этих достижений лежит феноменальный рост возможностей в сфере
испытаний и измерений на высоких частотах (ВЧ). Прогресс современного высокоча-
стотного измерительного оборудования достиг той стадии, когда обыденностью стали
измерения параметров сигналов c уровнем мощности менее 100 дБм за единицы мил-
лисекунд. Еще больше поражает появившаяся возможность объединять результаты вы-
сокочастотных измерений с аналитическим программным обеспечением, посредством
которого испытательное оборудование позволяет строить линейные и нелинейные мо-
дели исследуемых устройств, что значительно облегчает жизнь инженера-разработчика.
ВЧ- и СВЧ-устройства сыграли важную роль в этих революционных переменах.
При многократном сокращении стоимости и размеров ВЧ- и СВЧ-устройств их про-
изводительность и характеристики значительно улучшились, что позволило перейти
к новым стандартам качества. В то же время были усовершенствованы измеритель-
ные приспособления, соединители и кабели, что позволило обеспечить более высокий
уровень точности измерений на производстве. Параллельно с этими достижениями
инновации в области измерительного оборудования привели к революции в области
точных и быстрых измерений характеристик ВЧ- и СВЧ-устройств. Успех разработчика
ВЧ- и СВЧ-устройств непосредственно связан с качеством и широтой возможностей по
анализу параметров устройств на всех этапах жизненного цикла продукции: на этапе
проектирования, квалификационных испытаний и на этапе производства. С практи-
ческой точки зрения измерения должны быть быстрыми (1–2 секунды), с очень малой
погрешностью (сотые доли дБ) и с высокой степенью повторяемости. Каждый этап жиз-
ненного цикла разрабатываемого устройства устанавливает свои уникальные требова-
ния к точности измерений и обработке их результатов.
На этапе проектирования полнота определения технических характеристик, вклю-
чая амплитуду и фазу, является основой для управления процессом серийного произ-
водства в дальнейшем. Таким образом, очень важно измерить все параметры разраба-
тываемых устройств и исключить влияние испытательных стендов и приспособлений.
К счастью, современный векторный анализатор цепей в этом отношении отвечает всем
требованиям. В дальнейшем характеристики, полученные на этапе проектирования,
становятся золотым стандартом для статистической оценки отклонений параметров
продукции, изготовленной в условиях массового производства. На основании стати-
стической оценки среднеквадратического отклонения серийных образцов от этого
стандарта инженерами по контролю за качеством принимается решение о разбраковке
партии продукции.
Когда технические требования, предъявляемые к устройству, определены, очень
важно понимать, что эти требования являются просто маркерами, которые дают общее
представление о технических характеристиках устройства. И только когда будут полу-
чены результаты измерений и графические зависимости для всех технических характе-
ристик, включая АЧХ и ФЧХ, тогда станут известны «реальные» технические характе-
ристики устройства. Более того, важно обеспечить определение параметров как внутри,
так и за пределами документированной полосы. В нелинейных устройствах, таких как
20 Предисловие к первому изданию
смесители частот, генерируются гармоники сигналов ВЧ и гетеродина. В зависимости
от импеданса нагрузки вне документированного частотного диапазона эти гармоники
высших порядков могут отражаться обратно в смеситель, вызывая взаимодействие меж-
ду полезным сигналом и нежелательными гармониками. К счастью, современные ана-
лизаторы позволяют выполнять такие измерения параметров гармоник относительно
быстро и легко.
Доктор Дансмор проник в самую суть современных измерений. Благодаря его
книге инженеры не только получат практические советы по выполнению измерений,
но и поймут принципы их проведения, смогут предвидеть результаты измерений и узна-
ют, как описать технические характеристики тестируемого устройства независимо от
потенциальных погрешностей, обусловленных применяемыми средствами измере-
ний. Я уверен, что книга послужит базой для понимания методик выполнения изме-
рений, блок-схем проведения испытаний и областей применения приборов. У нее есть
все основания, чтобы стать бесценным ресурсом для дальнейшего прогресса в мире
ВЧ- и СВЧ-измерений.
Харви Кейли,
президент и основатель компании Mini-Circuits
Посвящается моей дорогой жене Дане
С момента выхода первого издания этой книги прошло уже семь лет, и, хотя основы изме-
рений параметров ВЧ- и СВЧ-устройств (и, как следствие, основные главы книги) в зна-
чительной степени изменений не претерпели, появление новых методов и технологий
в значительной степени расширило возможности векторных анализаторов цепей, вектор
развития которых направлен на превращение их в полностью интегрированные решения
для всесторонней оценки параметров устройств различного типа.
Глава 1 была дополнена более качественными результатами измерений параметров
высокочастотных соединителей (типоразмеров 3,5, 2,4, 1,85 и 1 мм), отражающих их АЧХ
и наличие высших мод, а также некоторыми сведениями о новых методиках измерений
с использованием модулированных сигналов таких параметров, как коэффициент мощ-
ности шума (NRP — Noise Power Ratio) и коэффициент мощности в смежном канале
(ACPR — Adjacent Chanel Power Ratio).
В главу 2 добавлен новый материал по многопортовым анализаторам цепей с очень
большим количеством измерительных портов и новым широкополосным анализаторам
цепей миллиметрового диапазона длин волн.
В главе 3 было несколько сокращено описание деталей выполнения калибровки
по мощности (исключены некоторые устаревшие методы). Добавлены подробности о мо-
дулях восстановления калибровки «по месту» (CalPods), описание новой концепции кали-
бровки нескольких измерительных каналов для выполнения нескольких видов измерений
в ходе выполнения расширенной процедуры калибровки, получившей название Cal All,
а также рассмотрены новые возможности оценки погрешности (неопределенности) изме-
рений в режиме реального времени.
Основной теоретический материал главы 4 остался без изменений (математический
аппарат преобразования Фурье изменений не претерпел), но при этом был добавлен новый
раздел, посвященный измерениям, выполняемым посредством имитации временного ре-
флектометра (TDR — Time Domain Refl ectometer), включая описание глазковых диаграмм.
Глава 5 почти не претерпела изменений, за исключением незначительных доработок.
Основные принципы измерений параметров усилителей, изложенные в главе 6, остав-
лены без изменений, но при этом добавлены несколько новых разделов, включая пере-
довые методы измерений параметров гармонических искажений, а также метод измере-
ний параметров двухканальных усилителей Догерти. Обновлен материал об измерениях
X-параметров и активных или «горячих» S-параметров. Раздел об измерениях параметров
нелинейных искажений (двухтоновых интермодуляционных искажений) был перенесен
в новую главу 8. Материал об измерениях коэффициента шума был перемещен в отдель-
ную главу, новую главу 9.
Глава 7 была дополнена в части измерений параметров многоканальных смесителей,
изложен новый метод измерений разности фаз между каналами многоканальных смеси-
телей, а также приведен новый метод измерений абсолютной фазы сигналов смесителей.
Рассмотрен новый метод измерений параметров нелинейных искажений высоких поряд-
ков в режиме изменения одного из параметров. Добавлен абсолютно новый раздел, посвя-
щенный измерениям параметров квадратурных (I/Q) смесителей. Как и в случае с главой
6, разделы, содержащие описание методик измерений коэффициента шума смесителей,
были вынесены в новую главу 9.
22 Введение ко второму изданию
Глава 8 почти полностью обновлена. В ней рассматривается новая, применительно
к современным векторным анализаторам цепей, тема измерений параметров устройств
с использованием модулированных сигналов. Сначала в деталях описано, как именно в век-
торных анализаторах цепей могут быть реализованы функции анализа спектра, и подробно
рассмотрены характеристики модулированных сигналов, в частности особенности их фор-
мирования путем воспроизведения с помощью генераторов сигналов произвольной формы.
Далее приводятся новые методы высокоточных измерений мощности модулированных сиг-
налов. Рассмотрены методы измерений коэффициента мощности в смежном канале и коэф-
фициента мощности шума как характеристик нелинейных искажений. Представлен новый
метод прямых измерений амплитуды вектора ошибки (EVM — Error Vector Magnitude) как
интегрального показателя качества усилителей мощности с помощью векторного анализа-
тора цепей. В завершение главы рассмотрены новые методы измерений параметров спектра
импульсных сигналов. Данная глава содержит множество ранее мало освещенных деталей
по вопросам анализа спектра. В ней подробно разъясняются отличия, которые могут наблю-
даться при графическом представлении результатов измерений параметров спектра сигна-
лов, полученных с применением различных методов измерений и детектирования.
Глава 9 вобрала в себя разделы, посвященные измерениям коэффициента шума усили-
телей и преобразователей частоты. Добавлен новый материал по измерению шумовых па-
раметров, а также новый раздел, посвященный измерению коэффициента шума активных
антенн. В конце данной главы подробно рассмотрен новый метод верификации результа-
тов измерений коэффициента шума.
Глава 10 теперь содержит всю информацию об измерениях параметров балансных устройств,
которая ранее была изложена в главе 8. Добавлен новый материал об измерениях параметров
гармонических искажений дифференциальных усилителей, а также об измерениях интермоду-
ляционных искажений (IMD — Intermodulation Distortion) без применения симметрирующих
устройств. Приведен новый метод измерений сдвига фаз дифференциального усилителя.
В главе 11 приведены передовые методики исключения влияния на результат изме-
рений параметров оснастки, сведения по созданию калибровочных комплектов, а также
другие материалы, ранее содержавшиеся в главе 9. Изложен новый метод однопортово-
го (только в режиме холостого хода) автоматического исключения влияния параметров
оснастки (AFR — Automatic Fixture Removal).
Применение некоторых описанных здесь новых функциональных возможностей кар-
динально меняет подходы к измерению параметров устройств. Векторные анализаторы
цепей теперь обладают полным перечнем функций анализа спектра, имеют возможность
синхронно управлять частотой, фазой и мощностью сигналов, формируемых несколькими
источниками, при измерениях на нескольких различных частотах. Весь этот функционал,
как правило, реализуется в виде прикладных программ, функционирующих самостоятельно
или интегрированных в общий интерфейс специального программного обеспечения. В то
время как у разных производителей приборов детали реализации этих функциональных воз-
можностей отличаются (а иногда и у одного производителя реализации этих функций отли-
чаются от версии к версии программного обеспечения), ключевые концепции, изложенные
ниже, позволят читателю в полной мере осознать преимущества этих новых подходов.
Я хотел бы поблагодарить своих коллег из Keysight Technologies за их содействие в ре-
цензировании ранее изданного материала и за помощь в разработке нового. Как всегда, все
ошибки прошу отнести на мой счет.
Джоэль П. Дансмор
Себастопол, Калифорния
июль 2019
Эта книга представляет собой совокупность основ и передового опыта, теории и прак-
тики. К сожалению, границы этих понятий размыты и зависят в значительной степени
от уровня образования и опыта читателя. Прежде всего эта книга о методах выполнения
измерений, но в то же время в ней содержится масса информации о характеристиках
устройств. Эта информация будет полезна и для инженера-разработчика, и для инжене-
ра-метролога, поскольку одной из целей тестирования является уточнение характери-
стик устройств, которые зачастую не соответствуют упрощенным моделям, используе-
мым для их описания. В реальной практике это непредвиденные отклики на тестовое
воздействие, на определение причин возникновения которых тратится наибольшее
количество времени на этапе тестирования и выявления неисправностей, особенно это
касается активных устройств, таких как усилители и смесители.
Основным инструментом для измерений характеристик СВЧ-устройств является
векторный анализатор цепей (ВАЦ), измерительные возможности которого сущест-
венно возросли с внедрением новейших достижений, что позволило решать намного
больший объем задач, чем просто измерение таких параметров, как усиление и согласо-
вание. Как инженер-разработчик ВАЦ с более чем тридцатилетним стажем, я принимал
участие в обсуждениях по широчайшему кругу измерительных задач в СВЧ-диапазоне,
от компонентов сотового телефона до спутниковых мультиплексоров. Решив напи-
сать книгу, свою задачу я видел в том, чтобы передать читателю знания и опыт, кото-
рые помогут повысить качество и эффективность выполнения научно-исследователь-
ских и конструкторских работ и облегчат работу инженеров-метрологов. Большая часть
книги посвящена современным методикам выполнения измерений, которые сущест-
венно изменились в результате расширения возможностей приборов. При этом иногда
различия между устаревшими и новыми методиками велики настолько, что им следует
уделить особое внимание.
Глава 1 задумана как введение в теорию электромагнитных волн и устройств СВЧ-
диапазона. В первой части главы вводятся основные понятия для описания харак-
теристик устройств, работающих в ВЧ- и СВЧ-диапазонах. Также здесь приводятся
некоторые важные математические выкладки, которые необходимы для понимания
результатов последующих глав. Вторая часть главы 1 содержит описание некоторых ти-
повых СВЧ-соединителей, линий передач и устройств, здесь также обсуждаются основ-
ные типы средств измерений и вспомогательное оборудование, используемые в диапа-
зоне СВЧ. Эта глава особенно полезна для инженеров, не имеющих опыта измерений
в ВЧ- и СВЧ-диапазонах.
Глава 2 посвящена детальному рассмотрению основных конфигураций ВАЦ и их
возможностей. Такой уровень детализации обычно не требуется для обычных пользова-
телей, но инженеры-метрологи, выполняющие измерения с очень высокой точностью,
сочтут полезной информацию о том, какое влияние на результаты измерений оказывает
конфигурация ВАЦ. Современный ВАЦ может решать широкий спектр измерительных
задач, включая измерения нелинейных искажений, мощности и коэффициента шума,
тем не менее в основе по-прежнему лежит измерение S-параметров. Вторая часть главы 2
иллюстрирует ряд полезных характеристик, выведенных из S-параметров.
Возможно, наиболее сложным для понимания аспектом измерений с использова-
нием ВАЦ является процесс калибровки и коррекции составляющих систематической
погрешности измерений. Глава 3 представляет собой обзор моделей систематической
24 Введение к первому изданию
погрешности измерений ВАЦ, методик калибровки, а также анализ составляющих си-
стематической погрешности измерений и оценку результатов калибровки. В этой главе
также вводится понятие калибровки источника сигналов и приемника по уровню мощ-
ности, о которых, за исключением этой книги, в настоящее время доступно очень мало
систематизированной информации. В конце главы рассматривается ряд практических
моментов, которые влияют на качество калибровки ВАЦ.
Глава 4 — вероятно, наиболее математически строгая и затрагивает очень 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. Эти первые четыре главы составляют вводный курс измерения па-
раметров СВЧ-устройств.
Оставшиеся главы посвящены описанию частных случаев измерений параметров
СВЧ-элементов. Глава 5 посвящена пассивным СВЧ-устройствам, таким как кабели
и соединители, линии передачи, фильтры, вентили и направленные ответвители.
Для каждого из этих устройств приводится передовой опыт и методики решения повсе-
дневных измерительных задач.
В главе 6 собраны сведения об измерительных задачах, связанных с усилителями,
и все необходимое для описания их основных характеристик. Рассмотрены практи-
ческие вопросы измерения параметров усилителей с высоким коэффициентом усиле-
ния и усилителей сигналов большой мощности, включая импульсные ВЧ-измерения.
Вводится понятие нелинейных измерений на примере гармоник и двухтоновой интер-
модуляции, а также рассмотрены многие методики измерений нелинейных искажений
и шумовых параметров, позволяющие использовать для испытаний в качестве измери-
тельного приемника равноценно как анализатор спектра, так и современный ВАЦ.
В главе 7 продолжается рассмотрение измерений параметров активных устройств
на примере смесителей. Поскольку у немногих инженеров есть опыт работы со смеси-
телями и он чаще всего ограничен их поверхностным рассмотрением в процессе обуче-
ния, 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. Приведены несколько ключевых методик выполнения измерений,
а также новый метод калибровки по фазовой опоре, впервые описанный подробно. По-
мимо амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик, рассмотрены методики
измерений зависимостей характеристик смесителей от уровней мощности сигналов ВЧ
и гетеродина, а также нелинейных искажений и шумовых параметров. Эта глава реко-
мендуется к прочтению всем инженерам-метрологам, имеющим дело со смесителями
или преобразователями частот.
В главе 8 дается понятие о дифференциальных и балансных устройствах и предо-
ставляется детальное описание методик измерений и анализа параметров дифференци-
альных устройств, включая нелинейные характеристики, КШ и нелинейные искажения.
В главе 9 приводится описание ряда очень полезных для инженера-метролога мето-
дик и концепций, в особенности касательно измерительных приспособлений, включая
полное описание процесса создания комплектов калибровочных мер для них.
Джоэль П. Дансмор
Себастопол, Калифорния
февраль 2012
Я бы хотел выразить благодарность Дэвиду Руту и Яну Верспехту за их теоретическую
работу над новым материалом 6-й главы («горячими» S-параметрами), а также Синь
Чена за ее практическую реализацию. Практическая часть главы 7 (измерения параме-
тров дифференциального и квадратурного смесителей) также была реализована с помо-
щью написанного Синь Ченом программного кода. Безмерно благодарен ему за при-
ложенные усилия.
Я также выражаю признательность Жан-Пьеру Тейсье за практическую реализацию
теоретических положений главы 8 в виде программного обеспечения и за его эксперт-
ные консультации по концепциям когерентного спектрального анализа.
Многие мои коллеги оказывали помощь в написании и редактировании этой книги,
и я хотел бы здесь выразить им признательность за помощь. Генри Комрий, руководи-
тель отдела НИОКР, с самого начала оказывал большую поддержку, так же как и Грег
Питерс, вице-президент и генеральный директор департамента тестирования компо-
нентов. Многие инженеры-испытатели нашей лаборатории помогали в редактирова-
нии рукописи, и экспертное мнение в каждой из областей их специализации я искрен-
не ценю: Кейт Андресон, Дара Сарислани, Дейв Блэкхэм, Кен Вонг, Шинья Гото, Боб
Шоулдерс, Дэйв Балло, Клайв Барнетт, Ченг Нинг, Сен Нинг, Син Чен, Михай Марку
и Лорен Беттс. Они проделали превосходную работу, и любые закравшиеся в текст кни-
ги ошибки целиком и полностью я принимаю на свой счет.
Многие новые методы и методики, представленные в данной книге, требовали
тяжелого и кропотливого труда по программной реализации алгоритмов выполнения
измерений, и я хотел бы поблагодарить наш коллектив разработчиков программного
обеспечения — Джоан Эрикссон, Сью Вуд, Джима Керра, Фила Хоарда, Джейда Хьюи-
са, Брэда Хокканена, Нильса Дженсена, Раймонда Тейлора, Денниса Маккарти, Энди
Кэннона, Уила Старка, Ю Чен Ху, Жи Вен Вонг и Янг Янг, так же как и их руководи-
телей — Шона Хьюберта, Ки Гао и Декстера Ямагучи, за всю их многолетнюю помощь
по внедрению в наши продукты множества функций, описанных здесь.
Наконец, я хотел бы упомянуть здесь доктора Роджера Полларда, который, будучи
моим научным руководителем по написанию докторской диссертации в университете
Лидса и коллегой во время его творческих отпусков в HP и Agilent Technologies, помог сво-
ими профессиональными советами и просто дружбой. Я буду по нему очень скучать.
высоких частотах (СВЧ) монография Джоэля Дансмора выделяется практической на-
правленностью и глубиной проработки крайне важного и актуального вопроса — при-
менения современных векторных анализаторов цепей (ВАЦ) для измерений параметров
устройств СВЧ-диапазона.
Многолетний опыт автора в проектировании и практическом применении ВАЦ по-
зволил структурировать большой объем накопленных знаний и изложить их в доступ-
ной для читателя форме. Наглядные и детально разобранные примеры решения задач
по измерению параметров СВЧ-устройств, встречающихся в инженерной практике,
значительно повышают практическую ценность предлагаемого материала. Все это по-
зволяет надеяться, что данная монография станет частью теоретического фундамента
в области современных СВЧ-измерений и будет способствовать повышению эффектив-
ности применения российскими инженерами возможностей современных ВАЦ.
В данной работе материал излагается автором не сухим языком терминов, а с точки
зрения культуры и понимания самого измерительного процесса, его места в инженер-
ной практике и роли измерительного оборудования в целом и ВАЦ в частности. Автор
акцентирует внимание инженеров на важности понимания того, что они ожидают уви-
деть на экране прибора, и весь теоретический аппарат строит вокруг этой концепции.
Во втором издании, переработанном и дополненном, автор уделил особое внима-
ние новым функциональным возможностям современных ВАЦ, обусловленным непре-
рывным развитием и усложнением систем связи и высокоскоростной передачи данных.
Так появилась новая глава, посвященная измерениям параметров спектра сигналов
на выходе исследуемых устройств и искажений, вносимых непосредственно этими
устройствами в спектр широкополосного модулированного входного сигнала. В отдель-
ной главе обобщены все сведения об измерениях параметров шума, определяющих ка-
чество систем связи.
Представленные материалы будут полезны для инженеров-метрологов, в том числе
при разработке исходных эталонов радиотехнических величин, а также позволят кор-
ректно оценивать метрологические характеристики ВАЦ при их испытаниях. Препо-
даватели и студенты высших учебных заведений, без сомнения, также найдут много
полезных сведений, которые можно использовать в процессе обучения.
Малай Иван Михайлович,
доктор технических наук, доцент,
заместитель генерального директора ФГУП «ВНИИФТРИ»
по радиотехническим и электромагнитным измерениям
Я чрезвычайно рада представить вашему вниманию книгу моего коллеги Джоэля Данс-
мора «Измерения параметров СВЧ-устройств с использованием передовых методик век-
торного анализа цепей», русское издание которой вы держите сейчас в руках.
Считаю выход этой по-настоящему настольной книги метрологов и разработчи-
ков на русском языке очень своевременным событием, которое, уверена, не останется
незамеченным.
Задачи развития и совершенствования таких важнейших направлений российской
экономики, как радиоэлектронная и телекоммуникационная отрасли, стоят сейчас не-
обычайно остро, поскольку эти отрасли промышленности обеспечивают функциониро-
вание всех жизненно важных элементов государственной инфраструктуры гражданско-
го и оборонного назначения. При этом растет понимание, что только с использованием
новейших контрольно-измерительных решений на всех без исключения этапах разра-
ботки электронных устройств можно добиться выпуска высококачественной продук-
ции, способной обеспечить успех программы импортозамещения в радиоэлектронике.
Книга Джоэля Дансмора — это практическое руководство по выполнению изме-
рений, и я уверена, что российские метрологи и разработчики по достоинству оценят
ее и, вооружившись знаниями, опытом и рекомендациями автора, станут авторами рос-
сийских прорывных технологий в области СВЧ-электроники.
Отдельно хочу поблагодарить всех, кто способствовал выходу книги на русском
языке: Евгения Харитонова (старший научный сотрудник Главного научного метроло-
гического центра), который не только переводил этот непростой труд на русский язык,
но и вместе с Евгением Андроновым (Keysight Technologies), Константином Рощиным
(Keysight Technologies) и Александром Бондаренко (Главный научный метрологический
центр) отвечал за научную редакцию текста. Весьма ценную работу по редактированию
русского издания книги провели научные сотрудники Томского университета систем
управления и радиоэлектроники (ТУСУР): профессор, доктор физико-математических
наук Гошин Г. Г., старший научный сотрудник, кандидат технических наук Савин А. А.
и старший научный сотрудник, кандидат технических наук Ульянов В. Н.; без их экс-
пертного мнения и деятельного участия в синхронизации русской и английской тер-
минологии русское издание книги Дансмора не было бы столь профессиональным.
Ну и, конечно, особая благодарность издательству РИЦ «ТЕХНОСФЕРА» за сотрудни-
чество и терпение!
Желаем вам больших творческих успехов в работе!
С уважением,
Смирнова Галина Владимировна,
генеральный директор Российского отделения Keysight Technologies
март 2018
Достижения в области высоких технологий постоянно меняют окружающий нас мир.
С началом нового десятилетия мы оказались на пороге крупномасштабного внедрения
сетей связи пятого поколения (5G), что повлечет за собой расширение спектра предо-
ставляемых услуг и увеличение количества абонентских устройств, при одновременном
повышении производительности сетей передачи данных на всех уровнях — от ядра до пе-
риферийных устройств. Развитие автомобильной техники связано с внедрением систем
автономного управления. В геометрической прогрессии растет количество подключен-
ных к сетям передачи данных устройств, установленных в наших домах, на предприя-
тиях и различных элементах инфраструктуры городов, включая устройства, которые мы
носим или надеваем на себя. Это лишь некоторые из изменений, которые происходят
в нашей жизни в результате развития технологий, и в будущем изменений и новшеств
будет все больше. Темпы внедрения инноваций и связанного с ними усложнения техно-
логий продолжают нарастать. Как и прежде, актуальным остается принцип: развитие
технологий немыслимо без прогресса в области измерительной техники. Проведение
соответствующих измерений позволяет подтвердить создание новой технологии, а впо-
следствии делает возможным ее отладку и внедрение с требуемыми уровнями качества,
производительности и рентабельности.
Современные технологии все чаще ставят перед нами измерительные задачи, тре-
бующие комплексных решений. Традиционных средств измерений для этого уже не-
достаточно. Конечно же, применение передовых инженерных решений при создании
аппаратной части остается немаловажным, но не менее важны и те широкие возмож-
ности, которые на ее базе предоставляет конечному пользователю специальное про-
граммное обеспечение. Продвинутые методики калибровки и выполнения измерений,
а также сложные алгоритмы обработки и графического представления их результатов
позволяют преобразовать сухие цифры в полезную и разностороннюю информацию
об объекте измерений, обеспечивающую более глубокое понимание сути происходящих
внутри него процессов. Это особенно актуально для измерений на сверхвысоких часто-
тах, включая измерения параметров элементов высокочастотных схем, выполняемых
с помощью векторных анализаторов цепей или измерительных установок на их основе.
Кроме того, зачастую одно и то же решение не может подходить для всего спектра воз-
можных измерительных задач. Различные варианты и условия применения обуславли-
вают отличия в вариантах исполнения приборов. В лабораториях и инженерных подраз-
делениях обычно используют настольные приборы. В условиях производства широкое
распространение получили модульные решения, обеспечивающие компактность и гиб-
кость при конфигурировании измерительных установок. В полевых условиях требуются
портативные, переносные приборы. При проведении исследований или в образователь-
ных целях могут быть полезны и другие варианты реализаций. Чаще всего специальное
программное обеспечение запускается на аппаратных ресурсах самого прибора, но по-
рой предпочтительнее, чтобы оно запускалось удаленно, на настольном компьютере
или даже на вычислительных ресурсах облачных сервисов.
Во втором издании своей всесторонне направленной книги доктор Джоэль Дансмор
еще более расширил и без того глубокое и оригинальное изложение основополагающих
концепций измерений параметров СВЧ-устройств, добавив новый и важный материал
по вопросам измерений с использованием модулированных сигналов и применения мо-
дульных приборов. Прочие дополнения касаются все возрастающей роли калибровки
18 Предисловие ко второму изданию
и метрологии в контексте решения измерительных задач, связанных с сетями передачи
данных пятого поколения (5G). Особый акцент сделан на ценности понимания метро-
логии как науки об измерениях, о том, как и почему мы получаем тот или иной результат
в процессе обработки их результатов. Доктору Дансмору все это по силам благодаря его
почти сорокалетнему опыту разработки и практической реализации передовых методик
измерений с применением современных достижений в области измерительной техники
и преподавательской деятельности, в ходе которой он делился своими идеями с дру-
гими людьми. Эта книга — один из новейших примеров практической реализации его
таланта к внедрению новейших технологий, которые призваны объединять и защищать
окружающий нас динамично изменяющийся мир.
Рон Нерсесиан,
председатель и генеральный
директор Keysight Technologies
За последние 20 лет в радиоэлектронной промышленности произошли революционные
изменения. Технические характеристики радиоэлектронных систем вышли на новый
качественный уровень: габаритные размеры аппаратных средств уменьшились, каче-
ство и надежность многократно возросли, а производственные затраты резко сократи-
лись. В основе всех этих достижений лежит феноменальный рост возможностей в сфере
испытаний и измерений на высоких частотах (ВЧ). Прогресс современного высокоча-
стотного измерительного оборудования достиг той стадии, когда обыденностью стали
измерения параметров сигналов c уровнем мощности менее 100 дБм за единицы мил-
лисекунд. Еще больше поражает появившаяся возможность объединять результаты вы-
сокочастотных измерений с аналитическим программным обеспечением, посредством
которого испытательное оборудование позволяет строить линейные и нелинейные мо-
дели исследуемых устройств, что значительно облегчает жизнь инженера-разработчика.
ВЧ- и СВЧ-устройства сыграли важную роль в этих революционных переменах.
При многократном сокращении стоимости и размеров ВЧ- и СВЧ-устройств их про-
изводительность и характеристики значительно улучшились, что позволило перейти
к новым стандартам качества. В то же время были усовершенствованы измеритель-
ные приспособления, соединители и кабели, что позволило обеспечить более высокий
уровень точности измерений на производстве. Параллельно с этими достижениями
инновации в области измерительного оборудования привели к революции в области
точных и быстрых измерений характеристик ВЧ- и СВЧ-устройств. Успех разработчика
ВЧ- и СВЧ-устройств непосредственно связан с качеством и широтой возможностей по
анализу параметров устройств на всех этапах жизненного цикла продукции: на этапе
проектирования, квалификационных испытаний и на этапе производства. С практи-
ческой точки зрения измерения должны быть быстрыми (1–2 секунды), с очень малой
погрешностью (сотые доли дБ) и с высокой степенью повторяемости. Каждый этап жиз-
ненного цикла разрабатываемого устройства устанавливает свои уникальные требова-
ния к точности измерений и обработке их результатов.
На этапе проектирования полнота определения технических характеристик, вклю-
чая амплитуду и фазу, является основой для управления процессом серийного произ-
водства в дальнейшем. Таким образом, очень важно измерить все параметры разраба-
тываемых устройств и исключить влияние испытательных стендов и приспособлений.
К счастью, современный векторный анализатор цепей в этом отношении отвечает всем
требованиям. В дальнейшем характеристики, полученные на этапе проектирования,
становятся золотым стандартом для статистической оценки отклонений параметров
продукции, изготовленной в условиях массового производства. На основании стати-
стической оценки среднеквадратического отклонения серийных образцов от этого
стандарта инженерами по контролю за качеством принимается решение о разбраковке
партии продукции.
Когда технические требования, предъявляемые к устройству, определены, очень
важно понимать, что эти требования являются просто маркерами, которые дают общее
представление о технических характеристиках устройства. И только когда будут полу-
чены результаты измерений и графические зависимости для всех технических характе-
ристик, включая АЧХ и ФЧХ, тогда станут известны «реальные» технические характе-
ристики устройства. Более того, важно обеспечить определение параметров как внутри,
так и за пределами документированной полосы. В нелинейных устройствах, таких как
20 Предисловие к первому изданию
смесители частот, генерируются гармоники сигналов ВЧ и гетеродина. В зависимости
от импеданса нагрузки вне документированного частотного диапазона эти гармоники
высших порядков могут отражаться обратно в смеситель, вызывая взаимодействие меж-
ду полезным сигналом и нежелательными гармониками. К счастью, современные ана-
лизаторы позволяют выполнять такие измерения параметров гармоник относительно
быстро и легко.
Доктор Дансмор проник в самую суть современных измерений. Благодаря его
книге инженеры не только получат практические советы по выполнению измерений,
но и поймут принципы их проведения, смогут предвидеть результаты измерений и узна-
ют, как описать технические характеристики тестируемого устройства независимо от
потенциальных погрешностей, обусловленных применяемыми средствами измере-
ний. Я уверен, что книга послужит базой для понимания методик выполнения изме-
рений, блок-схем проведения испытаний и областей применения приборов. У нее есть
все основания, чтобы стать бесценным ресурсом для дальнейшего прогресса в мире
ВЧ- и СВЧ-измерений.
Харви Кейли,
президент и основатель компании Mini-Circuits
Посвящается моей дорогой жене Дане
С момента выхода первого издания этой книги прошло уже семь лет, и, хотя основы изме-
рений параметров ВЧ- и СВЧ-устройств (и, как следствие, основные главы книги) в зна-
чительной степени изменений не претерпели, появление новых методов и технологий
в значительной степени расширило возможности векторных анализаторов цепей, вектор
развития которых направлен на превращение их в полностью интегрированные решения
для всесторонней оценки параметров устройств различного типа.
Глава 1 была дополнена более качественными результатами измерений параметров
высокочастотных соединителей (типоразмеров 3,5, 2,4, 1,85 и 1 мм), отражающих их АЧХ
и наличие высших мод, а также некоторыми сведениями о новых методиках измерений
с использованием модулированных сигналов таких параметров, как коэффициент мощ-
ности шума (NRP — Noise Power Ratio) и коэффициент мощности в смежном канале
(ACPR — Adjacent Chanel Power Ratio).
В главу 2 добавлен новый материал по многопортовым анализаторам цепей с очень
большим количеством измерительных портов и новым широкополосным анализаторам
цепей миллиметрового диапазона длин волн.
В главе 3 было несколько сокращено описание деталей выполнения калибровки
по мощности (исключены некоторые устаревшие методы). Добавлены подробности о мо-
дулях восстановления калибровки «по месту» (CalPods), описание новой концепции кали-
бровки нескольких измерительных каналов для выполнения нескольких видов измерений
в ходе выполнения расширенной процедуры калибровки, получившей название Cal All,
а также рассмотрены новые возможности оценки погрешности (неопределенности) изме-
рений в режиме реального времени.
Основной теоретический материал главы 4 остался без изменений (математический
аппарат преобразования Фурье изменений не претерпел), но при этом был добавлен новый
раздел, посвященный измерениям, выполняемым посредством имитации временного ре-
флектометра (TDR — Time Domain Refl ectometer), включая описание глазковых диаграмм.
Глава 5 почти не претерпела изменений, за исключением незначительных доработок.
Основные принципы измерений параметров усилителей, изложенные в главе 6, остав-
лены без изменений, но при этом добавлены несколько новых разделов, включая пере-
довые методы измерений параметров гармонических искажений, а также метод измере-
ний параметров двухканальных усилителей Догерти. Обновлен материал об измерениях
X-параметров и активных или «горячих» S-параметров. Раздел об измерениях параметров
нелинейных искажений (двухтоновых интермодуляционных искажений) был перенесен
в новую главу 8. Материал об измерениях коэффициента шума был перемещен в отдель-
ную главу, новую главу 9.
Глава 7 была дополнена в части измерений параметров многоканальных смесителей,
изложен новый метод измерений разности фаз между каналами многоканальных смеси-
телей, а также приведен новый метод измерений абсолютной фазы сигналов смесителей.
Рассмотрен новый метод измерений параметров нелинейных искажений высоких поряд-
ков в режиме изменения одного из параметров. Добавлен абсолютно новый раздел, посвя-
щенный измерениям параметров квадратурных (I/Q) смесителей. Как и в случае с главой
6, разделы, содержащие описание методик измерений коэффициента шума смесителей,
были вынесены в новую главу 9.
22 Введение ко второму изданию
Глава 8 почти полностью обновлена. В ней рассматривается новая, применительно
к современным векторным анализаторам цепей, тема измерений параметров устройств
с использованием модулированных сигналов. Сначала в деталях описано, как именно в век-
торных анализаторах цепей могут быть реализованы функции анализа спектра, и подробно
рассмотрены характеристики модулированных сигналов, в частности особенности их фор-
мирования путем воспроизведения с помощью генераторов сигналов произвольной формы.
Далее приводятся новые методы высокоточных измерений мощности модулированных сиг-
налов. Рассмотрены методы измерений коэффициента мощности в смежном канале и коэф-
фициента мощности шума как характеристик нелинейных искажений. Представлен новый
метод прямых измерений амплитуды вектора ошибки (EVM — Error Vector Magnitude) как
интегрального показателя качества усилителей мощности с помощью векторного анализа-
тора цепей. В завершение главы рассмотрены новые методы измерений параметров спектра
импульсных сигналов. Данная глава содержит множество ранее мало освещенных деталей
по вопросам анализа спектра. В ней подробно разъясняются отличия, которые могут наблю-
даться при графическом представлении результатов измерений параметров спектра сигна-
лов, полученных с применением различных методов измерений и детектирования.
Глава 9 вобрала в себя разделы, посвященные измерениям коэффициента шума усили-
телей и преобразователей частоты. Добавлен новый материал по измерению шумовых па-
раметров, а также новый раздел, посвященный измерению коэффициента шума активных
антенн. В конце данной главы подробно рассмотрен новый метод верификации результа-
тов измерений коэффициента шума.
Глава 10 теперь содержит всю информацию об измерениях параметров балансных устройств,
которая ранее была изложена в главе 8. Добавлен новый материал об измерениях параметров
гармонических искажений дифференциальных усилителей, а также об измерениях интермоду-
ляционных искажений (IMD — Intermodulation Distortion) без применения симметрирующих
устройств. Приведен новый метод измерений сдвига фаз дифференциального усилителя.
В главе 11 приведены передовые методики исключения влияния на результат изме-
рений параметров оснастки, сведения по созданию калибровочных комплектов, а также
другие материалы, ранее содержавшиеся в главе 9. Изложен новый метод однопортово-
го (только в режиме холостого хода) автоматического исключения влияния параметров
оснастки (AFR — Automatic Fixture Removal).
Применение некоторых описанных здесь новых функциональных возможностей кар-
динально меняет подходы к измерению параметров устройств. Векторные анализаторы
цепей теперь обладают полным перечнем функций анализа спектра, имеют возможность
синхронно управлять частотой, фазой и мощностью сигналов, формируемых несколькими
источниками, при измерениях на нескольких различных частотах. Весь этот функционал,
как правило, реализуется в виде прикладных программ, функционирующих самостоятельно
или интегрированных в общий интерфейс специального программного обеспечения. В то
время как у разных производителей приборов детали реализации этих функциональных воз-
можностей отличаются (а иногда и у одного производителя реализации этих функций отли-
чаются от версии к версии программного обеспечения), ключевые концепции, изложенные
ниже, позволят читателю в полной мере осознать преимущества этих новых подходов.
Я хотел бы поблагодарить своих коллег из Keysight Technologies за их содействие в ре-
цензировании ранее изданного материала и за помощь в разработке нового. Как всегда, все
ошибки прошу отнести на мой счет.
Джоэль П. Дансмор
Себастопол, Калифорния
июль 2019
Эта книга представляет собой совокупность основ и передового опыта, теории и прак-
тики. К сожалению, границы этих понятий размыты и зависят в значительной степени
от уровня образования и опыта читателя. Прежде всего эта книга о методах выполнения
измерений, но в то же время в ней содержится масса информации о характеристиках
устройств. Эта информация будет полезна и для инженера-разработчика, и для инжене-
ра-метролога, поскольку одной из целей тестирования является уточнение характери-
стик устройств, которые зачастую не соответствуют упрощенным моделям, используе-
мым для их описания. В реальной практике это непредвиденные отклики на тестовое
воздействие, на определение причин возникновения которых тратится наибольшее
количество времени на этапе тестирования и выявления неисправностей, особенно это
касается активных устройств, таких как усилители и смесители.
Основным инструментом для измерений характеристик СВЧ-устройств является
векторный анализатор цепей (ВАЦ), измерительные возможности которого сущест-
венно возросли с внедрением новейших достижений, что позволило решать намного
больший объем задач, чем просто измерение таких параметров, как усиление и согласо-
вание. Как инженер-разработчик ВАЦ с более чем тридцатилетним стажем, я принимал
участие в обсуждениях по широчайшему кругу измерительных задач в СВЧ-диапазоне,
от компонентов сотового телефона до спутниковых мультиплексоров. Решив напи-
сать книгу, свою задачу я видел в том, чтобы передать читателю знания и опыт, кото-
рые помогут повысить качество и эффективность выполнения научно-исследователь-
ских и конструкторских работ и облегчат работу инженеров-метрологов. Большая часть
книги посвящена современным методикам выполнения измерений, которые сущест-
венно изменились в результате расширения возможностей приборов. При этом иногда
различия между устаревшими и новыми методиками велики настолько, что им следует
уделить особое внимание.
Глава 1 задумана как введение в теорию электромагнитных волн и устройств СВЧ-
диапазона. В первой части главы вводятся основные понятия для описания харак-
теристик устройств, работающих в ВЧ- и СВЧ-диапазонах. Также здесь приводятся
некоторые важные математические выкладки, которые необходимы для понимания
результатов последующих глав. Вторая часть главы 1 содержит описание некоторых ти-
повых СВЧ-соединителей, линий передач и устройств, здесь также обсуждаются основ-
ные типы средств измерений и вспомогательное оборудование, используемые в диапа-
зоне СВЧ. Эта глава особенно полезна для инженеров, не имеющих опыта измерений
в ВЧ- и СВЧ-диапазонах.
Глава 2 посвящена детальному рассмотрению основных конфигураций ВАЦ и их
возможностей. Такой уровень детализации обычно не требуется для обычных пользова-
телей, но инженеры-метрологи, выполняющие измерения с очень высокой точностью,
сочтут полезной информацию о том, какое влияние на результаты измерений оказывает
конфигурация ВАЦ. Современный ВАЦ может решать широкий спектр измерительных
задач, включая измерения нелинейных искажений, мощности и коэффициента шума,
тем не менее в основе по-прежнему лежит измерение S-параметров. Вторая часть главы 2
иллюстрирует ряд полезных характеристик, выведенных из S-параметров.
Возможно, наиболее сложным для понимания аспектом измерений с использова-
нием ВАЦ является процесс калибровки и коррекции составляющих систематической
погрешности измерений. Глава 3 представляет собой обзор моделей систематической
24 Введение к первому изданию
погрешности измерений ВАЦ, методик калибровки, а также анализ составляющих си-
стематической погрешности измерений и оценку результатов калибровки. В этой главе
также вводится понятие калибровки источника сигналов и приемника по уровню мощ-
ности, о которых, за исключением этой книги, в настоящее время доступно очень мало
систематизированной информации. В конце главы рассматривается ряд практических
моментов, которые влияют на качество калибровки ВАЦ.
Глава 4 — вероятно, наиболее математически строгая и затрагивает очень 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. Эти первые четыре главы составляют вводный курс измерения па-
раметров СВЧ-устройств.
Оставшиеся главы посвящены описанию частных случаев измерений параметров
СВЧ-элементов. Глава 5 посвящена пассивным СВЧ-устройствам, таким как кабели
и соединители, линии передачи, фильтры, вентили и направленные ответвители.
Для каждого из этих устройств приводится передовой опыт и методики решения повсе-
дневных измерительных задач.
В главе 6 собраны сведения об измерительных задачах, связанных с усилителями,
и все необходимое для описания их основных характеристик. Рассмотрены практи-
ческие вопросы измерения параметров усилителей с высоким коэффициентом усиле-
ния и усилителей сигналов большой мощности, включая импульсные ВЧ-измерения.
Вводится понятие нелинейных измерений на примере гармоник и двухтоновой интер-
модуляции, а также рассмотрены многие методики измерений нелинейных искажений
и шумовых параметров, позволяющие использовать для испытаний в качестве измери-
тельного приемника равноценно как анализатор спектра, так и современный ВАЦ.
В главе 7 продолжается рассмотрение измерений параметров активных устройств
на примере смесителей. Поскольку у немногих инженеров есть опыт работы со смеси-
телями и он чаще всего ограничен их поверхностным рассмотрением в процессе обуче-
ния, 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. Приведены несколько ключевых методик выполнения измерений,
а также новый метод калибровки по фазовой опоре, впервые описанный подробно. По-
мимо амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик, рассмотрены методики
измерений зависимостей характеристик смесителей от уровней мощности сигналов ВЧ
и гетеродина, а также нелинейных искажений и шумовых параметров. Эта глава реко-
мендуется к прочтению всем инженерам-метрологам, имеющим дело со смесителями
или преобразователями частот.
В главе 8 дается понятие о дифференциальных и балансных устройствах и предо-
ставляется детальное описание методик измерений и анализа параметров дифференци-
альных устройств, включая нелинейные характеристики, КШ и нелинейные искажения.
В главе 9 приводится описание ряда очень полезных для инженера-метролога мето-
дик и концепций, в особенности касательно измерительных приспособлений, включая
полное описание процесса создания комплектов калибровочных мер для них.
Джоэль П. Дансмор
Себастопол, Калифорния
февраль 2012
Я бы хотел выразить благодарность Дэвиду Руту и Яну Верспехту за их теоретическую
работу над новым материалом 6-й главы («горячими» S-параметрами), а также Синь
Чена за ее практическую реализацию. Практическая часть главы 7 (измерения параме-
тров дифференциального и квадратурного смесителей) также была реализована с помо-
щью написанного Синь Ченом программного кода. Безмерно благодарен ему за при-
ложенные усилия.
Я также выражаю признательность Жан-Пьеру Тейсье за практическую реализацию
теоретических положений главы 8 в виде программного обеспечения и за его эксперт-
ные консультации по концепциям когерентного спектрального анализа.
Многие мои коллеги оказывали помощь в написании и редактировании этой книги,
и я хотел бы здесь выразить им признательность за помощь. Генри Комрий, руководи-
тель отдела НИОКР, с самого начала оказывал большую поддержку, так же как и Грег
Питерс, вице-президент и генеральный директор департамента тестирования компо-
нентов. Многие инженеры-испытатели нашей лаборатории помогали в редактирова-
нии рукописи, и экспертное мнение в каждой из областей их специализации я искрен-
не ценю: Кейт Андресон, Дара Сарислани, Дейв Блэкхэм, Кен Вонг, Шинья Гото, Боб
Шоулдерс, Дэйв Балло, Клайв Барнетт, Ченг Нинг, Сен Нинг, Син Чен, Михай Марку
и Лорен Беттс. Они проделали превосходную работу, и любые закравшиеся в текст кни-
ги ошибки целиком и полностью я принимаю на свой счет.
Многие новые методы и методики, представленные в данной книге, требовали
тяжелого и кропотливого труда по программной реализации алгоритмов выполнения
измерений, и я хотел бы поблагодарить наш коллектив разработчиков программного
обеспечения — Джоан Эрикссон, Сью Вуд, Джима Керра, Фила Хоарда, Джейда Хьюи-
са, Брэда Хокканена, Нильса Дженсена, Раймонда Тейлора, Денниса Маккарти, Энди
Кэннона, Уила Старка, Ю Чен Ху, Жи Вен Вонг и Янг Янг, так же как и их руководи-
телей — Шона Хьюберта, Ки Гао и Декстера Ямагучи, за всю их многолетнюю помощь
по внедрению в наши продукты множества функций, описанных здесь.
Наконец, я хотел бы упомянуть здесь доктора Роджера Полларда, который, будучи
моим научным руководителем по написанию докторской диссертации в университете
Лидса и коллегой во время его творческих отпусков в HP и Agilent Technologies, помог сво-
ими профессиональными советами и просто дружбой. Я буду по нему очень скучать.