Введение в измерения RF и микроволн

Точное измерение RF и микроволновых схем является основой успешного проектирования и валидации. По мере того как частоты увеличиваются до диапазона гигагерц, традиционные подходы к измерениям становятся неадекватными, и требуются специализированные методы.

Диапазоны частот измерений

HF/VHF

3-300 MHz

Традиционные инструменты

UHF

300 MHz - 3 GHz

Специализированная калибровка

Микроволны

3-30 GHz

VNA необходим

Миллиметровые волны

30-300 GHz

Продвинутые зонды

Основы векторного сетевого анализатора (VNA)

Векторный сетевой анализатор является основным инструментом для измерений RF, предоставляя информацию о величине и фазе в широких диапазонах частот. Современные VNA могут измерять от DC до более 100 GHz с высоким динамическим диапазоном и точностью.

Ключевые характеристики VNA

Частотный диапазон: DC до 100+ ГГц для приложений mmWave
Динамический диапазон: Обычно 100-130 дБ для высокой изоляции
Шум трассы: Низкий шум для точных измерений
Скорость измерения: Быстрая развёртка для производственных испытаний

Измерения и интерпретация S-параметров

S-параметры (параметры рассеяния) описывают, как энергия RF распространяется через сеть, и являются фундаментальными для анализа RF-схем. Четыре основных S-параметра (S11, S12, S21, S22) представляют характеристики отражения и передачи.

Краткий справочник по S-параметрам

S11 (Входное отражение)

< -10 dB: Хорошее согласование
< -20 dB: Отличное согласование
VSWR = (1 + |S11|)/(1 - |S11|)

S21 (Прямая передача)

Вносимые потери = -20log|S21|
Групповая задержка = -dφ/dω
Усиление = 20log|S21| (усилители)

Техники калибровки и стандарты

Калибровка устраняет систематические ошибки из измерений VNA, включая направленность, согласование источника и ошибки отслеживания отражения.

Методы калибровки

SOLT

Короткое-Открытое-Нагрузка-Прямое

Лучше для коаксиальных

TRL

Прямое-Отражение-Линия

Лучше для планарных

LRRM

Линия-Отражение-Отражение-Согласование

Гибридный подход

Измерения во временной области и TDR

Рефлектометрия во временной области (TDR) обеспечивает понимание физического поведения схем путем анализа отражений от разрывов импеданса. Измерения TDR выявляют расположение и величину вариаций импеданса вдоль линий передачи.

Преобразование во временной области выявляет импульсные и ступенчатые отклики
Идентификация резонансов, разрывов и эффектов связи
Гейтирование удаляет нежелательные отражения для фокусировки на конкретных элементах

Коэффициент шума и измерения температуры шума

Коэффициент шума характеризует ухудшение отношения сигнал-шум через устройство и критичен для расчетов чувствительности приемника. Метод Y-фактора с использованием калиброванного источника шума является стандартным подходом.

Справочник по измерению шума

Расчет коэффициента шума:

NF = ENR + 10log((Y-1)/Y) + Loss_after

Типичные значения:

LNAs

0.5-2 dB

Смесители

6-12 dB

Аттенюаторы

= Затухание

Измерения мощности и калибровка

Точное измерение мощности необходимо для характеристики усилителей, передатчиков и пассивных компонентов. Датчики мощности включают термисторные крепления, термоэлектрические датчики и диодные детекторы, каждый со специфическими диапазонами частот и возможностями обработки мощности.

Нелинейные измерения и измерения больших сигналов

Нелинейные измерения характеризуют поведение устройства в условиях больших сигналов и включают измерения точки компрессии, интермодуляционных искажений и гармонических искажений.

Ключевые нелинейные измерения

P1dB: Точка компрессии 1-dB указывает на начало компрессии усиления
IMD: Двухтоновая интермодуляция выявляет генерацию паразитных сигналов
Подтяжка нагрузки: Производительность vs переменные импедансы нагрузки
EVM: Величина вектора ошибки для модулированных сигналов

Измерения на пластине и зондовых станциях

Измерения на пластине позволяют характеризовать устройства до упаковки, обеспечивая более быструю обратную связь во время разработки. Зондовые станции с прецизионными манипуляторами и стабильным контролем окружающей среды необходимы для воспроизводимых измерений.

Лучшие практики измерений зондом

• Использовать стандартную подложку импеданса (ISS) для калибровки
• Поддерживать постоянную силу контакта зонда
• Контролировать температуру в пределах ±1°C для стабильных измерений
• Использовать максимально короткие зондовые кабели
• Регулярно проверять состояние наконечников зондов
• Деэмбеддировать паразитные элементы площадок для точной характеристики

Распространенные ошибки измерений

Руководство по устранению неполадок

Проблема: Низкая точность калибровки

• Использовать подходящий тип калибровки для измерения
• Проверить состояние разъема и кабеля
• Контролировать условия окружающей среды во время калибровки

Проблема: Недостаточный динамический диапазон

• Оптимизировать полосу пропускания IF и настройки усреднения
• Использовать внешнее усиление для сигналов низкого уровня
• Внедрить надлежащее экранирование и изоляцию

Проблема: Дрейф измерений

• Обеспечить достаточное время прогрева для приборов
• Контролировать колебания температуры и влажности
• Выполнять регулярную проверку калибровки

Ключевые выводы

VNA необходимы для точных RF измерений с надлежащей калибровкой
S-параметры обеспечивают всестороннюю характеристику линейных схем
Анализ во временной области выявляет физическое поведение и разрывы
Измерения коэффициента шума и мощности требуют специализированных методов
Нелинейные измерения характеризуют реальные условия эксплуатации

Связанные инструменты

Используйте наши калькуляторы для поддержки ваших RF измерений и проектных работ:

Калькулятор микрополосковой линии Калькулятор полосковой линии

Передовые методы измерений для RF и микроволновых схем

Table of Contents