Измерение вносимых потерь с помощью ваттметров

Введение

Вносимые потери по полосе пропускания являются основой характеристикой большого спектра пассивных радиоустройств. Типичные величины вносимых потерь сравнительно малы и, поэтому их трудно измерить чем-либо, кроме лабораторных инструментов. В Радиале мы измеряем вносимые потери с помощью современных сетевых анализаторов Hewlett Packard. Калибровка наших инструментов контролепригодна в соответствии с требованиями ГОСТ РФ, и мы гордимся стабильностью и точностью наших измерений. Низкие величины вносимых потерь при высокой мощности не просто измерить точно, используя в качестве источников сигнала обычные радиопередатчики и такие радиоваттметры как Bird Model 43s или схожие с ними SX 400, SX 1000 DIAMOND. На самом деле, вносимые потери по мощности не могут быть измерены напрямую, они должны быть рассчитаны как соотношение измеренной величины мощности радиосигнала на выходе и входе тестируемого устройства, используя формулу:
IL(dB) = 10 x log(Po/Pi),
где Po и Pi – соответственно мощность радиосигнала на входе и выходе устройства.
В данной статье объясняется, почему непрямые измерения вносимых потерь, выполненные с помощью одного ваттметра, подтверждены существенной погрешности, и описывается метод двух ваттметров, который более всего, настолько это возможно, согласуется с измерениями, выполненными с помощью лабораторных инструментов.

Метод одного ваттметра

В общем случае измерить мощность устройства на входе и выходе с точностью достаточной для проверки указанных фабричных вносимых потерь, используя один ваттметр, невозможно. Просто слишком много существует вероятных источников погрешности. На Рисунке 1 изображен обычный метод проведения требуемых измерений. Тестируемое устройство обладает измеренной фабричным способом величиной вносимых потерь в -1,5 dB при частоте, попадающей в полосу пропускания. Ваттметр – Bird Model 43 с 50-Ваттным элементом, а передающее устройство – 30-Ваттный переносной приемопередатчик. Коаксиальные кабели случайной длины используются для соединения оборудования. На Рисунке 1А передающее устройство подключено к тестируемому через ваттметр, посредством кабелей 1 и 2. Выход тестируемого устройства подключен к 50-Омной нагрузке кабелем 3. Когда передающее устройство включено, ваттметр показывает 32,2 Ватта мощности в прямом направлении. Запишем: Pi = 32,2 Ватт.
На рисунке 1Б передающее устройство подключено к тестируемому устройству через кабель 1. Выход тестируемого устройства теперь подключен к нагрузке через кабель 3, ваттметр и кабель 2. Теперь ваттметр показывает 20 Ватта мощности в прямом направлении. Запишем: Ро = 20,0 Ватт.
Используя указанные выше измерения мощности, получим величину вносимых потерь следующим образом:
IL (dB) = 10 x log (20/32,3) = 10 x (-0,21) = -2,1 dB.
Фильтр не удовлетворяет спецификации? Прежде, чем мы придем к какому-либо заключению, давайте взглянем пристальнее на возможные источники погрешности, присущие методу одного ваттметра.

Источники погрешности измерения

1. Измерение сопротивления передающего устройства

Большей частью, для подключения тестируемого устройства к передающему устройству в случае 1А и 1Б используются кабели, отличающиеся по своей длине. Если полное входное сопротивление фильтра не является чисто резистивным и равняется 50 Омам, то измерение длины кабеля между ним и передающим устройством может изменить величину и фазу полного сопротивления нагрузки для передающего устройства. Следовательно, выходная мощность передающего устройства может измениться из-за изменения полного сопротивления нагрузки, вызванного передающего устройства может измениться из-за измерения полного сопротивления нагрузки, вызванного переключением ваттметра и одного кабеля с входа на выход тестируемого устройства.

2. Положение Ваттметра

В линии передач, оканчивающейся несогласованной или реактивной нагрузкой, присутствуют стоячие волны.
В зависимости от КСВ нагрузки могут быть получены различные величины мощности при различном положении ваттметра относительно волновой картины стоячей волны в тестовых кабелях.

3. Вносимые потери кабеля и гарнитуры

Потери во всех соединительных кабелях и гарнитуре, влияющие на измерение мощности, должны быть учтены при подсчете вносимых потерь.
Общая погрешность, из-за причин указанных в пунктах 1-3, легко может быть порядка 0,6 dB в расхождение реальных измерений с фабричной спецификацией. Но дела могут обстоять еще хуже, если тестовое передающее устройство было нестабильно.

4. Нестабильность передающего устройства

Некоторые усилители мощности передающих устройств могут быть нестабильны при любом сопротивлении нагрузки и фазовом угле. В особенности, резонансные устройства могут показывать большие реактивные составляющие при нерезонансных частотах. Это может вызвать параметрические колебания, которые создадут существенную выходную мощность на частотах за пределами полосы пропускания тестируемого устройства. Если передающее устройство возбуждается, то измеренная ваттметром выходная мощность передающего устройства будет включать паразитную мощность. Если паразитная мощность существенно ослаблена тестируемым фильтром, то появятся «ложные вносимые потери». Это может вызвать еще большую погрешность измерения вносимых потерь, в зависимости от соотношения паразитной и несущей мощности и поведение тестируемого устройства.
На Рисунке 1В передающее устройство возбуждается при подключении к тестируемому устройству коротким кабелем недопустимой длины. Ваттметр на выходе фильтра фиксирует только 15,5 Ватта мощности в прямом направлении, потому что примерно 4,5 Ватта паразитной мощности не проходят через фильтр на объемном резонаторе.

РИСУНОК 1 – МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВНОСИМЫХ ПОТЕРЬ ОДНИМ ВАТТМЕТРОМ (НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ)

Вносимые потери теперь оказываются равными:
IL = 10 х log (15,5/32,5) = 10 х (-0,32) = -3,2 dB.
Этот результат, конечно же, полностью неверен.

Рекомендованный метод измерений

Мы рекомендуем двухступенчатый метод двух ваттметров, который исключает большинство вышеуказанных проблем. Сначала используется расположение, приведенное на Рисунке 2А, для получения показаний ваттметра для введения поправки на вносимые потери оборудования, используемого при проверке, и на относительную погрешность градуировки ваттметра. Расположение, представленное на Рисунке 2Б, используется для измерения входной и выходной мощности.
Кабель 1 обрезан до такой длины, чтобы общая длина линии передачи от выхода передающего устройства до выхода ваттметра была кратна половине длины волны тестовой частоты. Это обеспечивает то, что полное сопротивление нагрузки, «видимое» передающим устройством, с высокой точностью совпадает с полным сопротивлением тестируемого устройства, подключенного к ваттметру 1. Руководства по эксплуатации ваттметров обычно содержат сведения об оптимальной длине кабеля, необходимой для различных диапазонов частот.
На Рисунке 2Б ваттметры 1 и 2 подсоединены к входу и выходу тестируемого устройства с помощью очень короткого кабеля или адаптера UG-57B/U «папа-папа» N- типа. Также может потребоваться применить прямоугольный переходник UG-27C/U «папа-мама» N- типа, чтобы облегчить установку ваттметра рядом с тестируемым устройством. На Рисунке 2А ваттметры соединены теми же разъёмами, что и на Рисунке 2Б, плюс дополнительный адаптер UG-29B/U «мама-мама» N- типа. 50-Омный нагрузочный резистор на Рисунках 2А и 2Б должен быть подключен к выходу ваттметра коаксиальным кабелем короткой длины или адаптером «папа-папа» N-типа. Длина линии передачи между ваттметром и нагрузочным резистором не существенна, если величина обратных потерь не хуже, чем -30dB (KCB < 1,06).
Процедура проверки проста:

1. Подсоедините ваттметр 1 напрямую к ваттметру 2, как показано на Рисунке 2А. Включите передающее устройство и запишите показания мощности в прямом направлении Р1 и Р2.
2. Выключите передающее устройство и вставьте тестируемое устройство между ваттметрами 1 и 2, как показано на Рисунке 2Б.
3. Включите передающее устройство снова и запишите показания мощности в прямом направлении РЗ и Р4.
4. Подсчитайте вносимые потери следующим образом:
   IL(dB) = 10 х log [(P1 x P4)/(P2 x РЗ)]

РИСУНОК 2 – МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВНОСИМЫХ ПОТЕРЬ МЕТОДОМ ДВУХ ВАТТМЕТРОВ (РЕКОМЕНДОВАННЫЙ)

Или подсчитайте численную величину соотношения (P1 x P4)/(P2 x РЗ) и найдите соответствующие вносимые потери в dB в справочной таблице.
Следующие величины были получены в предыдущем примере для фильтра на объемном резонаторе:
Р1 = 28,7 Ватт РЗ = 28,0 Ватт
Р2 = 24,0 Ватт Р4 = 16,8 Ватт
Подсчитанное значение вносимых потерь:
Po/Pi = (28,7 х 16,8)/(24,0 х 28,0) - 0,7175
IL = 10 х log (0,7175) = -1,44 dB
Это составляет величину фабричной спецификации для тестируемого фильтра, с погрешностью меньше, чем 0,1 dB.

В случае расхождений

Если вы используете предложенный метод двух ваттметров и ваши измерения вносимых потерь не согласуются с нашими, то виной этому одна из двух вероятных причины: или ваше передающее устройство возбуждается, или наше оборудование действительно не соответствует спецификациям. Установив оборудование как показано на Рисунке 2Б, вставьте -30 dB аттенюатор радиочастоты на выход передающего устройства и проверьте спектральную чистоту передающего устройства с помощью спектроанализатора. Тщательно пройдитесь по широкому спектру частот, так как паразитный выходной сигнал может иногда появляться на частотах, сильно удаленных от несущей. Если передающее устройство в порядке, безбоязненно можно заключить, что оборудование не соответствует спецификациям. В таком случае, вы должны составить гарантийную рекламацию.

Другие меры предосторожности

1. Используйте ваттметры с элементами, позволяющими считывать значение с середины шкалы ваттметра или выше.
2. Используйте самые лучшие кабели и разъемы, которые вы сможете приобрести. Разъемы должны быть обжаты и запаяны, если это возможно. Плохие разъемы погубят ваши измерения.
3. НЕ используйте UHF разъемы и переходники! PL-разъемы печально знамениты своими плохими характеристиками сопротивления даже на ОВЧ-частотах. Вставляйте разъемы N-типа в ваш ваттметр.
4. Проверьте спектральную чистоту вашего тестового передающего устройства. Все паразитные выбросы и гармоники должны находиться, по крайней мере, на 60-70 dB ниже несущей, в случае, когда передающее устройство подключено как на Рисунке 2Б.

*Весь материал взят из технических семинаров компании TX/RX и адаптирован под российскую действительность.