Анализаторы сигналов с быстрым свипированием: невидимая технология, которая работает

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Пара преимуществ, которые не скроешь

Хотя мы редко об этом задумываемся, но измерения сигналов, например, низкоуровневых паразитных составляющих, включают сбор большого объёма информации и поэтому могут быть очень медленными. Я уже описывал, как иногда нам помогают законы физики, но этот удачный случай даёт лишь умеренные преимущества.

Появившиеся несколько лет назад в анализаторах сигналов цифровые фильтры ПЧ дали определённый выигрыш по скорости и характеристикам. Улучшенный коэффициент формы и согласованная полоса пропускания повышают точность, а предсказуемая динамическая характеристика позволяет повысить скорость свипирования от двух до четырёх раз. Эффекты быстрого свипирования можно корректировать в режиме реального времени, если только скорость выросла не слишком сильно.
Идея коррекции более быстрых скоростей свипирования была многообещающей, а открывающиеся перспективы выглядели ещё более привлекательными на фоне ужесточения требований к уровню паразитных составляющих, гармоник и другим характеристикам. Чтобы удовлетворить эти требования, в анализаторах спектра и сигналов используется специальная техника снижения шумов, которая заключается в сужении полосы фильтра ПЧ (RBW), причём уровень шумов снижается на 10 дБ при сужении RBW в 10 раз.
К сожалению, время свипирования растёт пропорционально квадрату уменьшения RBW. Расплата 100-кратным увеличением времени измерения за улучшение отношения сигнала к шуму на 10 дБ – слишком дорогое удовольствие.
Как уже бывало в прошлом, для улучшения измерений и облегчения жизни радиоинженеров можно использовать специальные алгоритмы и высокоскоростную цифровую обработку сигнала:

Эти два измерения охватывают один и тот же диапазон частот и выполнены с одинаковой полосой измерительного фильтра. Опция FS1 для анализаторов сигналов Keysight серии X (снизу) повышает скорость измерения примерно в 50 раз.

Быстродействующая специализированная ИС в анализаторе сигналов выполняет частотную и амплитудную коррекцию и коррекцию полосы измерительных фильтров при скоростях свипирования, до 50 раз превышающих традиционную скорость, с минимальными ошибками. Это улучшение относится к свипирующим (не БПФ) измерениям и даёт максимальный эффект, когда полоса измерительного фильтра составляет примерно 10 кГц или больше.

Выигрыш по скорости тут очевиден, но другое преимущество может быть не столь заметным: возможность использования более узкого фильтра ПЧ для улучшения воспроизводимости результатов при сохранении того же времени свипирования.

На этом графике сравнивается воспроизводимость (по вертикальной оси) быстрого и традиционного свипирования. Более низкий уровень и менее крутой спад синей кривой демонстрирует улучшенную воспроизводимость и меньшую зависимость от времени свипирования.

Степень роста скорости зависит от особенностей измерения и конфигурации анализатора, но она достигается автоматически и без ухудшения характеристик. Если медленные измерения вас уже утомили, поищите информацию об этом методе в наших рекомендациях по применению быстрого свипирования.

Риск болтающейся гайки

Бен Зарлинго

Как избежать повреждения СВЧ разъёма

Некоторые неприятности подстерегают нас в самых неожиданных местах, несмотря на разнообразные меры безопасности. Одним из примеров являются механические повреждения разъёмов высокочастотных кабелей и переходников, особенно при использовании разъёмов SMA и прецизионных разъёмов 3,5 мм в измерительных схемах, где также используются разъёмы 2,4 мм и 1,85 мм. И как всегда, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать:


Изображение переходника с 3,5 мм на 2,4 мм вверху в центре отлично всё поясняет. Обратите внимание, что резьба с левой и правой стороны переходника имеет разную длину нарезки, и шаг резьбы тоже отличается. Это гарантирует, что при использовании несоответствующих разъёмов накидная гайка не позволит их соединить. Пока всё хорошо.
Опасность становится более очевидной, если рассмотреть гнёзда (центральные контакты розетки) с обоих сторон переходника, на рисунке они показаны вверху слева и вверху справа. Обратите внимание на разную толщину стенок и диаметр отверстия центральных контактов этих двух разъёмов. Если показанный внизу слева центральный контакт разъёма SMA (совместимый с прецизионным разъёмом 3,5 мм) вставить в гнездо 2,4 мм, показанное вверху справа, то разъём 2,4 мм будет повреждён. Также разъём будет повреждён, если использовать вилку 3,5 мм.
Но ведь накидная гайка не даёт этого сделать. Или даёт?
Меры безопасности, реализованные за счёт разных размеров разъёмов и разного шага резьбы (как описано выше) работают лишь в том случае, если накидная гайка вилки не может сдвинуться с разъёма назад в сторону кабеля. Как видно на нижнем правом рисунке, к этому полужёсткому коаксиальному кабелю с разъёмом SMA это не относится. Габариты сочленяемых частей разъёмов совместимы, и с небольшим усилием разъём SMA может завершить свою разрушительную миссию.
К счастью для инженеров, розетки 2,4 мм и 1,85 мм на передней панели приборов обычно не устанавливаются. Вместо этого используются вилки, поэтому повреждаются обычно только переходники и кабели. Сами по себе они достаточно дороги, но обходятся значительно дешевле замены разъёмов передней панели прибора и последующей перекалибровки.
Ход накидной гайки разъёмов 3,5 мм практически всегда ограничен, но на дешёвых разъёмах SMA это правило соблюдается не всегда. И, конечно, ограничители (в качестве которых часто используются пружинные кольца) могут сдвинуться почти на любом разъёме.
Таким образом, эта опасность присутствует в любой измерительной схеме, где используются разъёмы 2,4 мм или 1,85 мм, включая большинство приложений миллиметрового диапазона и некоторые СВЧ приложения.
Вы получите дополнительные шансы предотвратить опасность, если заметите слегка выступающий или изогнутый центральный контакт разъёма SMA, как на нижнем левом рисунке.

Высокочастотное оборудование стоит дорого и требует бережного обращения, поэтому даже не очень заметное повреждение разъёма может сказаться на его характеристиках. А с ростом рабочих частот оборудование становится ещё дороже и ещё чувствительнее, так что будьте осторожны!

Почему на передней панели СВЧ приборов установлены вилки?

Росс Ван Ворт

Как говорили родители: «Для твоей же пользы!»

Многие инженеры любят хорошие головоломки, и всем нам приходилось встречать устройства или технические решения, заставляющие чесать затылки. Если мы заметили что-то странное, но не видим для этого очевидных объяснений, то у нас, как у собак Павлова, начинает выделяться слюна познания. Мы теряемся в догадках, что же за этим кроется – может, тут несколько объяснений – и начинаем подозревать, что всё это следствие какого-то тяжело доставшегося опыта, за который кому-то пришлось заплатить очень дорогой ценой.

Одну такую маленькую загадку можно найти на передней панели многих СВЧ генераторов и анализаторов. Вместо традиционной розетки – типа N, 3,5 мм, 2,4 мм и т.п. – вы часто встретите здесь вилку с огромным рифлёным фланцем, который позволяет плотно затягивать соединение руками (см. ниже).

Хотя типичным разъёмом передней панели является розетка, в приборах СВЧ диапазона (от 30 до 300 ГГц) часто используются разъёмы противоположного типа. Это объясняется тем, что вилка обеспечивает защиту от некоторых серьёзных повреждений.

Поскольку в большинстве кабелей используются вилки, должна существовать хотя бы одна веская причина такого отступления от традиции. И такая причина есть, кратко её можно сформулировать словами «защита разъёма». Ниже показаны два примера и некоторые номера деталей по каталогу.

	Защитные переходы для подключения к вилке 2,4 мм на передней панели
	Соединение с	Номер детали по каталогу
	розеткой 2,4 мм	11900B
	розеткой 2,92 мм	11904B
	розеткой 3,5 мм	11901B
	розеткой типа K	11904B
	розеткой SMA	(используйте 3,5 мм 11901B)
	розеткой типа N	11903B

«Защитные переходы» – это коаксиальные переходники, включаемые между разъёмами передней панели прибора и кабелями или исследуемыми устройствами. В случае повреждения или износа они легко заменяются.

Две другие основные причины описываются словами «расходный» и «сменный». Разъёмы СВЧ диапазона по определению малы и требуют весьма аккуратного обращения, а замена разъёма на передней панели прибора обходится достаточно дорого. Кроме того, после такой замены, как правило, требуется калибровка, а это может вывести прибор из эксплуатации на целый день, а то и на более длительный срок.

В ситуациях, требующих частых переподключений, имеет смысл держать рабочий переходник, постоянно подключенный к разъёму передней панели прибора. Если такой переходник ломается или изнашивается, его можно легко и без особых затрат заменить. Другими словами, даже самый дорогой  переходник метрологического класса стоит дешевле, чем ремонт и последующая перекалибровка прибора.

А теперь давайте вернёмся к повреждению и износу. Разъёмы передней панели подвержены нескольким типам повреждений, и применение вилки и защитного перехода защищает их несколькими способами. Во-первых, вилка стимулирует применение защитного перехода. Оператор, не обученный правильному обращению с разъёмами, не сможет подключить большинство кабелей (с вилками на обоих концах) прямо к передней панели и поэтому, скорее всего, не сможет случайно повредить разъём передней панели.

Во-вторых, вилка, как правило, имеет большую механическую прочность по сравнению с розеткой. Самый распространённый тип повреждений – это повреждение гнездового контакта розетки штыревым контактом вилки, который может быть изогнутым или иметь несоответствующий размер. Вилка на передней панели переносит центр разрушений на более дешёвые детали.

Таким образом, такой выбор типа разъёма существенно сокращает число циклов сочленения приборного разъёма. Даже при аккуратном обращении износ и повреждения неизбежны, и лучше перенести влияние этих факторов на расходные детали.

Полезный совет №1. Как определить тип разъёма (вилка или розетка) с различными конструкциями корпуса? Запомните, что тип коаксиального разъёма определяется по его центральному контакту, независимо от наличия и формы накидных гаек, резьбовых деталей или байонетных фиксаторов.

Полезный совет №2. Лыски, проточенные в цилиндрических деталях защитных переходов, предназначены не только для динамометрических ключей. Они позволяют использовать обычные рожковые ключи, чтобы удерживать разъём от поворота во время затяжки гайки. Следует избегать поворотов разъёма, поскольку это приводит к его износу, и особенно это касается чувствительных СВЧ разъёмов.

Полезный совет №3. Некоторые приборы используют специальные адаптеры, которые могут выступать в роли защитного перехода. Эти специальные адаптеры являются сменной частью приборного разъёма передней панели и могут иметь разные типы ответной части с внешней стороны. Такой подход может физически укорачивать соединение и до некоторой степени повышает механическую прочность благодаря компактной конфигурации. Однако недостаток заключается в том, что специальный адаптер может повредиться, а замены под рукой не окажется.