Проблема измерения 3-ей гармоники Опции

[Олег Анатольевич]

Есть такая проблема. Возьмем любое известное коаксиальное устройство: ФП, ФНЧ, аттенюатор, ферритовый циркулятор. Есть АЧХ этого устройства измеренная на любом из известных панорамных измерителях, вплоть до векторных анализаторов цепей PNA фирмы Agilent. Нас интересует затухание перечисленных СВЧ устройств на частоте 3-й гармоники. Теперь проводим другое измерение. Берем ПРД с Pвых 100 ватт и частотой F0. Подключаем любое из перечисленных устройств и с помощью анализатора спектра, любого самого навороченного, измеряем какое затухание вносит это тестируемое устройство на частоте 3-гармоники 3хF0. Для избежания ошибки, вносимой анализатором спектра, измерения проводим через дополнительный технологический фильтр, пропускающий 3-ю гармонику практически без потерь и давящий сигнал основной частоты на 100дБ. Теперь сравним результаты, получаются совершенно другие цифры, которые никак не возможно объяснить. Так например аттенюатор -20 дБ дает всего -9дБ, ФП вместо -100дБ, дает -25дБ, -65дБ, в зависимости от точки включения фильтра и т. д. В общем полная чушь, бред. Кто что может сказать по этому поводу?

[Constantin]

Слишком много неизвестных в вопросе. Одновременно рассматриваются устройства с потенциально
невысокими IP3 (фильтры) и существенно нелинейные (циркуляторы).
Самый навороченный VNA требует самой тщательной калибровки - это раз, мощность возбуждения
в штатных режимах далеко не сто ватт - два, в штатных конфигурациях измерительных
схем источник и нагрузка (порты VNA) вполне хорошо согласованы - три. На высоких
частотах и в устройствах с большими затуханиями могут быть существенными перекрестные
проникновения сигналов (crosstalk, но они тоже могут быть учтены при калибровке).
В общем случае измерение затуханий на уровне 100 дБ может оказаться нетривиальной задачей (например, при измерении подавления в фильтрах сильно растет погрешность из-за ограниченной
направленности мостов VNA и почти полной несогласованности вне полосы пропускания).

Чтобы уверенно говорить о подавлении 3-й гармоники, нужно знать ее реальный уровень
на выходе усилителя (перед фильтром). Ее уровень может существенно измениться в зависимости
от характера нагрузки.

В общем, лучше описать конкретные схемы - можно будет обсудить более предметно,
слишком существенны разбросы в приведенных примерах.

[Олег Анатольевич]

Попробую заузить задачу. Есть коаксиальный полосовой фильтр, который на частоте 3-й гармоники дает затухание –100дБ. В этой цифре сомнения нет никакого, полная 2-х портовая калибровка с учетом изоляции на PNA анализаторе (динамический диапазон анализатора –143 дБ). Фильтр неоднократно перемерялся на разных панорамных измерителях.
Теперь если на данный фильтр подать сигнал с выходной мощностью 100Вт частотой 3-й гармоники (3xF0) и мерить анализатором спектра, то сомнений нет, затухание в тестируемом фильтре будет те же –100дБ.
Но если подавать 100Вт сигнал с частотой F0, а измерения проводить анализатором спектра на частоте 3-й гармонике (3xF0), то и начинается всякая ерунда. Любой ПРД содержит кроме основного сигнала и гармоники. В данном случае у ПРД уровень 3-й гармоники -70 дБ. И я ее хочу убить фильтром, чтобы анализатор спектра ее не видел. Но получается, что я ее в такой схеме давлю всего лишь на 25 дБ. Для избежания ошибки вносимой АС, измерения провожу через дополнительный технологический фильтр, пропускающий 3-ю гармонику практически без потерь и давящий сигнал основной частоты на 100дБ.
И подобная ерунда отмечается и на более простых СВЧ элементах. Простой аттенюатор на –20 дБ. На панорамнике –20дБ на 3-й гармонике, -10дБ при измерениях с ПРД и анализатором спектра. Уровень 3-й гармоники выдаваемый УМ стабилен.

[EVS]

... Уровень 3-й гармоники выдаваемый УМ стабилен.

Это при нагрузке-то оного на "дополнительный технологический фильтр, пропускающий 3-ю гармонику практически без потерь и давящий сигнал основной частоты на 100дБ", то бишь практически полностью?

Думаю, ключевой вопрос: "А как нагружен передатчик на основной частоте в схеме с "дополнительным технологическим фильтром"? (© Constantin)

Перефразируя: а куда 100Вт-то девается? Если обратно в "ПРД", то как себя чувствует этот самый "ПРД" даже если на его выходе стоит чудо-вентиль, способный рассеить эти самые 100Вт. Может, стоит использовать в качестве "технологического" дуплексный режекторный фильтр, _ответвляющий_ f0 в согласованную нагрузку, именно ответвляющий, а не отражающий обратно? Тогда и измерения по f3 будут покорректнее?

[Олег Анатольевич]

У меня в общем то были сомнения по поводу того, что УМ при определенных условиях может выдавать уровень 3-й гармоники больше чем -70 дБ относительно основного сигнала. Но вроде проверял, к вых. УМ подключена мощная согласованная нагрузка (или бухта кабеля куда и идет рассеиваться 100вт), между УМ и нагрузкой ответвитель, с него через «технологический ФП» на анализатор. Ставлю тестируемый ФП в тракт между ответвителем и нагрузкой. Уровень 3-й гармоники на анализаторе при этом не меняется, что поставил тестируемый ФП, что его нет. Кстати в составе УМ на его выходе стоит ферритовый циркулятор. Но он конечно узкополосный, работает как вентиль только на основной частоте. На частоте 3-й гармоники у него затухание в обоих направлениях порядка -30 дБ (измерялось на PNA).
Constantin мне Ваша мысль понятна , я вообщем почти так и делал. Если я снимал сигнал на АС с ответвителя, то он стоял за измеряемым ФП перед мощным аттенюатором. Но я и снимал сигнал на выходе аттенюатора. Единственно эти измерения были разнесены по времени. А результат в обоих случаях значительно отличающийся от АЧХ снятого с панорамного измерителя.

[Constantin]

У меня в общем то были сомнения по поводу того, что УМ при определенных условиях может выдавать уровень 3-й гармоники больше чем -70 дБ относительно основного сигнала. Но вроде проверял, к вых. УМ подключена мощная согласованная нагрузка (или бухта кабеля куда и идет рассеиваться 100вт), между УМ и нагрузкой ответвитель, с него через «технологический ФП» на анализатор.

Как-то много странных сопутствующих обстоятельств - наличие существенно нелинейного элемента
на выходе усилителя одно из них. Можно провести измерения без циркулятора - аккуратно, на
хорошую нагрузку?

Мне кажется, что нужно все же поставить эксперимент строже - никаких сомнительных нагрузок
в виде бухты кабеля, допустимая мощность рассеяния аттенюатора должна быть выбрана
с запасом во избежание нелинейных эффектов, также он должен обеспечивать согласование
как минимум до третьей гармоники.

У Вас исходно довольно большие мощности, анализатор хороший, динамического диапазона
достаточно - попробуйте поэкспериментировать при мощности на входе фильтра 10Вт, 1Вт.
В идеале - путем установки между усилителем м фильтром мощного аттенюатора 10, 20 дБ.

Мы ведь здесь не обсуждаем вечный двигатель?

[Олег Анатольевич]

Всем спасибо. Для меня решение этой проблемы очень важно. Я в тупике и все, что можно было сделать, я сделал. Но результаты… Полный абсурд, никогда такого не было, любой эксперимент не приближает решение задачи, а уводит в сторону. Количество вопросов не уменьшается, а только возрастает. Это еще хуже чем «вечный двигатель». И поверьте это работа не одного дня. Кто нибудь реально в своей практике проводил подобные замеры. Подавал на какое либо СВЧ устройство мощность одной частоты, а измерения проводил на частоте гармоники. И сравнивал полученный результат с АЧХ полученной со свипом.
УМ без циркулятора смотрел, правда без ФП, уровень 3-й -54 дБ от основного. Добавляю циркулятор, становится -75дБ (хотя должно было добавиться -30 дБ).Добавляю еще один циркулятор прибавки ни какой.
Пробовал с измерительного генератора Agilent подавать мах. мощность на основной частоте на злополучный фильтр. Его мах. +25 дБм. А измерения естественно проводил на 3-й гармонике. Так вот тестируемый фильтр начал давать, что и должен -100дБ на 3-й гармонике, при той же схеме измерения.
Я думаю, что бухта хорошего СВЧ кабеля метров так 100 – идеальная мощная нагрузка с очень хорошим согласованием, в том числе вплоть до 3-й гармоники.
Менять мощность УМ непосредственно к сожалению нельзя, а возможно только путем установки между УМ и ФП мощных аттенюаторов. При этом ФП каждый раз дает разное подавление, но меньше -100дБ. И даже при той же мощности +25 дБм, что и с измерительного генератора давит значительно меньше чем -100дБ.

[Constantin]

Всем спасибо. Для меня решение этой проблемы очень важно. Я в тупике и все, что можно было сделать, я сделал. Но результаты… Полный абсурд, никогда такого не было, любой эксперимент не приближает решение задачи, а уводит в сторону. Количество вопросов не уменьшается, а только возрастает. Это еще хуже чем «вечный двигатель». И поверьте это работа не одного дня. Кто нибудь реально в своей практике проводил подобные замеры. Подавал на какое либо СВЧ устройство мощность одной частоты, а измерения проводил на частоте гармоники. И сравнивал полученный результат с АЧХ полученной со свипом.

Я тут смоделировал измерение третьей гармоники на парочке E8257D + E4440A.

Для начала в штатном режиме измерения гармоник. Эксперимент 1 - максимальный (+14 дБм) сигнал,
эксперимент 2 - с аттенюатором 30 дБ. Таки да - во втором случае уровень третьей гармоники
на 10 дБ выше ожидаемого. Вполне понятно, почему - стоит обратить внимание на полосу, которую
ставит анализатор. При столь широкой полосе и малом уровне сигнала мы видим мощность шумов.

Провел те же измерения в ручном режиме в полосе 10 Гц - все хорошо совпало, аттенюатор
реабилитирован :-)

Может, и в Вашем случае происходит нечто подобное ?

[Олег Анатольевич]

Constantin спасибо. Но у меня при работе с Е8257D нет никаких проблем. У меня он с опцией увеличенной Р. Даю мах.+25дБм, и все работает логично, и аттенюаторы давят сколько надо на 3-й, и циркулятор дает –30 дБ, и тестируемый фильтр дает –100 дБ. Подаю сигнал одной частоты, при этом измеряю уровень 3-й выдаваемой Е8257D, затем ставлю любое тестируемое устройство с предварительно измеренной АЧХ со свипом. Конечно все эти замеры возможны только если на входе анализатора подавить основной сигнал (технологическим фильтром), чтобы он не вносил ошибку в показания АС, так как в любом АС при мощном поступающем сигнале, относительно значительно более слабого сигнала на гармонике, при увеличении усиления АС на смесителе возникает 3-я гармоника и вносит существенную ошибку в измерения (это факт, аксиома). Все мои проблемы связаны с реальным мощным ПРД, не измерительным. И те же непонятки я получил и с другим мощным передатчиком другого производителя и в совершенно в другом диапазоне.

[Constantin]

Если Вы полностью уверены в методике измерений, то у меня остается два предположения:

1) Мне кажется, что сам мощный усилитель не способен выдать -70 дБ третьей гармоники,
т.е. скорее всего он содержит фильтр, до которого этот уровень существенно выше. А следовательно,
цепи с высоким уровнем третьей гармоники могут ее излучать. Мой опыт говорит о том, что измерения
подавления более 60 - 70 дБ требуют очень тщательной постановки эксперимента во избежание
артефактов в виде наводок и т.п.

2) Генерация гармоник на нелинейностях фильтра (типа того, что он позолочен, а золото
лежит по никелю). Можно попытаться померять уровень IP3 до фильтра и после него,
эти компоненты будут наверное заметного уровня и не будут фильтроваться - условия работы
спектроанализатора будут близкие.