Измерение рассчитанных плат с мостами Вилкинсона на VNA, Измерение на VNA произвольных импедансов с минимальным отражением Опции

[Stefan1]

Добрый день. Помогите пожалуйста с проблемой:
Необходимо сравнить расчет моста Вилкинсона в Microwave office (рис. ниже) с реальным измерением данных расчитанных плат на анализаторе цепей. Необходимо измерить |S23|, |S21| и |S31|. Мост используется для сложения двух мощных транзисторов в S-диапазоне частот. Но возникает проблема: VNA измеряет с 50-ти омными портами, а мне нужно подставлять в порты 2 и 3 импеданс транзистора (например, Z=1-j4). Есть идея использовать для этого калибровочные наборы, трансформирующие 50 ом в необходимый импеданс и затем производить TRL калибровку всей оснастки включаяэти наборы, но уж больно это сложно.
Кто-нибудь сталкивался с такой проблемой?
Или же вопрос можно переформулировать: как измерять на VNA произвольные импедансы (порядка Z=1-j4) с минимальным отражением?


Сообщение отредактировал Stefan1 - May 4 2017, 13:24

[Hale]

Line - изготавливается на СВЧ подложке из известного материала, поэтому её волновое (характеристическое) сопротивление без больших погрешностей получают расчётным путём.

Этот расчетный путь с требуемой точностью работает до 2 ГГц. Если бы все можно было оценить расчетным путем, ничего измерять было бы не нужно. Собственно, до 2 ГГц деды одним вольтметром и обходились без всяких VNA. А выше отклонение расчетов будет как минимум не лучше калибровки на 50-омных портах прецизионного VNA.

Обычный экспоненциальный переход обладает широкополосностью университетских физиков.

так я и говорю, при достаточной бесконечности его протяженности.
А в вашей ПДФ-ке 1)не обычный экспоненциальный, а переход Клопфенштейна. Чтобы автор сделал такой под свой проект - это к нему надо еще двух толковых дипломников приставить, которые будут рамсчитывать импедансы, переводить это в сечение полоска, травить и подгонять инетрационным методом.
2)в пдф-ке прецизионно рассчитанный и калиброванный продукт. В его погрешность все равно входит погрешность измерения на 50-омном VNA
3) Как я и сказал, проставка имеет ширину полосков фикстуры, а фикстура протяженная и не имеет резких ступеней и изгибов. В противном случае весь аппарат матриц летит коту под хвост.

но для узкой полосы 2,7 - 3,1 ГГц вовсе необязательно.

ну, для узкой, да. Для узкой можно и четвертьволновыми ступеньками обойтись, где площадка и будет последней ступенькой перехода.

как легче потом интерпретировать результат измерения

верно. Но принято интерпретировать относительно реального порта. В идеальном случае, переход надо травить на керамике с большим эпсилон и мириться с потерями(и понижением точности). Но это тоже задача не для коленок.

Современные VNA это умеют делать за доли секунды. На выходе просто получается матрица коэффициентов с описанием N-портового устройства. Все математические преобразования выполняются без каких-либо допущений. Так что основная погрешность измерений никак не связана с количеством портов у измеряемого устройства.

Насколько я представлял себе, не совсем так. VNA калибруют погрешности приемников при заданном включении. Им не надо заниматься деэмбедингом портов(подводящих линий) через высоко-ранговые матрицы. Хотя в софте такая функция и может быть - она гораздо медленнее.

Сообщение отредактировал Hale - May 11 2017, 02:25

[MePavel]

Этот расчетный путь с требуемой точностью работает до 2 ГГц. Если бы все можно было оценить расчетным путем, ничего измерять было бы не нужно. Собственно, до 2 ГГц деды одним вольтметром и обходились без всяких VNA. А выше отклонение расчетов будет как минимум не лучше калибровки на 50-омных портах прецизионного VNA.

Задача инженерная и хотелось бы узнать в числах, что подразумевается под "требуемой точностью"?

так я и говорю, при достаточной бесконечности его протяженности.

Протяженности экспоненциального перехода в половину длины волны на нижней частоте достаточно с запасом.

А в вашей ПДФ-ке 1)не обычный экспоненциальный, а переход Клопфенштейна. Чтобы автор сделал такой под свой проект - это к нему надо еще двух толковых дипломников приставить, которые будут рамсчитывать импедансы, переводить это в сечение полоска, травить и подгонять инетрационным методом.

Я думаю, что автор темы бы не отказался от помощи двух толковых дипломников. Тем более, если они сами буду изготавливать печатные платы.

2)в пдф-ке прецизионно рассчитанный и калиброванный продукт. В его погрешность все равно входит погрешность измерения на 50-омном VNA

Согласен. Там факторов много. Нестабильность коаксиальных кабелей при изгибе. Уход параметров VNA и кабелей от времени и температуры и т.п.
Я так понимаю, что величина этих погрешностей для Вас неприемлема? Каким образом, Вы предлагаете уменьшить погрешность измерения?

3) Как я и сказал, проставка имеет ширину полосков фикстуры, а фикстура протяженная и не имеет резких ступеней и изгибов. В противном случае весь аппарат матриц летит коту под хвост.

Может есть какие-нибудь способы учесть несоответствие ширины полосков оснастки и вставки Delay Line? С этой задачей толковые дипломники могут справиться? А то легче всего сдаться, т.к. "аппарат матриц летит коту под хвост".

ну, для узкой, да. Для узкой можно и четвертьволновыми ступеньками обойтись, где площадка и будет последней ступенькой перехода.

Много ступенек придётся делать. Я так думаю, как минимум, 3-4. Выгодней использовать плавные переходы, т.к. они короче.

верно. Но принято интерпретировать относительно реального порта. В идеальном случае, переход надо травить на керамике с большим эпсилон и мириться с потерями(и понижением точности). Но это тоже задача не для коленок.

Почему Вы считаете, что потери так сильно снизят точность? Речь идёт о долях, единицах дБ. На фоне динамического диапазона современных VNA такими потерями можно пренебречь. Главное, чтобы оснастка был стабильна при механических и температурных воздействиях.

Насколько я представлял себе, не совсем так. VNA калибруют погрешности приемников при заданном включении. Им не надо заниматься деэмбедингом портов(подводящих линий) через высоко-ранговые матрицы. Хотя в софте такая функция и может быть - она гораздо медленнее.

Естественно, что математические формулы упрощены и в них присутствуют только комплексные значения a и b волн, снятые приёмниками.

Как я понимаю, надо сделать деембединг неоднородности, вызванной разницей вывода транзистора и ширины широкой части микрополосковой линии (тестового порта)?

Да.

А не подскажите как мне тогда откалиброваться для схемы, приведенной ниже?
[attachment=107047:1.png]

Трехпортовая TRL-калибровка.

Калибровка автокалибратором с 50-ти омными портами подойдет?

Нет.

Или же надо проводить TRL калибровку в сечении выводов транзистора (рис ниже), а 3-й порт нагрузить на идеальные 50 ом (воткнуть в 4 порт VNA, например)?
[attachment=107061:2.png]

Нет. Только полноценная трехпортовая TRL-калибровка и никаких автокалибраторов.

[Stefan1]

Нет. Только полноценная трехпортовая TRL-калибровка и никаких автокалибраторов.

А не подскажите как мне данную калибровку проводить (или ссылку на литературу)? Не пойму как должны выглядеть элементы, учитывающие комплексные коэффициенты передачи между всеми 3 портами. Особенно не понятно как должны выглядеть элементы для порта 3 - это должен быть мост наподобие моста Вилкинсона, трансформирующий 50 ом в импеданс, равный импедансу элемента OPEN для TRL набора - 6 Ом (поскольку импеданс транзистора в сечении вывода равен примерно 1-j4, то создать качественные переходы, трансформирующие 50 ом в импеданс транзистора - нереально). При этом два элемента LINE надо будет вставлять между данным мостом и экспоненциальными переходами 1 и 2. Что-то типа этого:

Либо можно использовать классический вариант моста Вилкинсона, трансформирующего 50 ом в два сопротивления по 50 ом, как показано ниже:

Как тут быть?

да ничего подобного. это должен быть заводской переход 100 раз выверенный и доработанный. а автор делает на коленках. и мы тоже пробовали на коленках (прототипирующей машиной по разным рексолитам). не выйдет у него полуволновой экспоненты. в нашем случае проще оказалось треугольник рисовать, результат устойчивее. Устойчивее и у Клопфенштейна, т.к. заходы у него параллельны контуру полоска, без излома. в лучшем случае если рястянет экспоненты на длину волны что-то получится сносное.

У меня как раз переходы Клопфенштейн. Рассчитывал сначала в скрипте для программы AWR, специально разработанного для этих переходов (правда не мной), а затем в программе ЭМ-моделирования проверял расчет. На практике - в диапазоне частот 1,5 - 5 ГГц при соединении двух таких переходов вместе (элемент THRU) погрешности (амплитуда и фаза S11, S12) были небольшие. Вы по каким критериям и с каким уровнем точности оцениваете такие переходы?

Сообщение отредактировал Stefan1 - May 15 2017, 10:18

[Hale]

Вы по каким критериям и с каким уровнем точности оцениваете такие переходы?

ну, это от нужд. У нас была необходимость равномерности полосы и фазы шире 500 МГц на 10ггц. Причем гарантированно, т.к. в конце подключался как согласователь к резонансной антенне. Полоса у экспоненциальных уже, и небольшая ошибка (например емкость) при сопряжении сбивает точку минимума. А боковые горбы |Г| у него выше даже на полуволновой дистанции (см. рисунок).

А по факту, широкополосный трансформатор на таком переходе, мягко говоря, не очень. Чтобы результат был устойчивым (стабильным) надо нормальные коаксиально-полосковые переходы использовать и платы напаивать на основание, а не прикручивать винтами.

Пожалуйста, перестаньте. Нет такого факта. Еще раз посмотрите на иллюстрацию из учебника:
Рис. выше.
Экспоненциальный очень хорош как укороченный фиксированный трансформатор внутри сравнительно узкополосных схем. Но не как элемент разборного сопряжения.

[MePavel]

Пожалуйста, перестаньте. Нет такого факта. Еще раз посмотрите на иллюстрацию из учебника:
Рис. выше.
Экспоненциальный очень хорош как укороченный фиксированный трансформатор внутри сравнительно узкополосных схем. Но не как элемент разборного сопряжения.

На иллюстрации из учебника ясно видно, что линейный переход работает явно хуже всех. Причём рассмотрен случай для коэффициента трансформации сопротивления равном двум. А что будет если необходимо трансформировать сопротивление, например, в 10 раз?
Я никак не могу понять, почему Вы считаете, что экспоненциальный переход узкополосный? Если у Вас на 10 ГГц требуется полоса 500 МГц, то можете спокойно обойтись четвертьволновым отрезком линии передачи.

А что Вы подразумеваете под ""моделью оснастки по методу TRL"?

Табличное описание оснастки, как четырёхполюсника.

Через какие меры Вы подразумеваете описание данной модели на 6 ом (1 и 2 порт) по методу TRL - через OPEN, LINE и THRU?

Да.

Как тогда дальше проводить калибровку на три порта в 50-омах? Автокалибратором уже получается нельзя калиброваться в этом случае?

Если нет ничего другого в качестве эталонных мер, то можно и автокалибратором.

А также подскажите пожалуйста как описать модель для 50-ти омного КПП (порт 3)?

Точно так же как модель оснастки.