Измерение мощности

Измеритель пикового уровня мощности по-прежнему точно измеряет среднюю мощность, но поскольку он также непрерывно измеряет мгновенную мощность, сжатие или отсечение редко возникающих максимальных пиков будут очевидными из-за уменьшения пиковой мощности и отношения пикового к среднему уровню мощности. Статистические методы могут помочь определить в количественном виде воздействие сжатия пиков на сигнале и могут помочь спрогнозировать интенсивность битовых ошибок системы.

4. Точность измерений

Измерители уровня ВЧ-мощности в течение длительного времени считались эталонами точных измерений, но насколько точны выдаваемые ими результаты измерений уровня мощности? Для вычисления точности измерители средней и пиковой ВЧ-мощности требуется больше, чем просто просмотр спецификаций. В то время как многие пользователи спрашивают: «Насколько точен измеритель?», метрологи более правильно спрашивают: «Какой является погрешность этого конкретного измерения?» Погрешность является точным количественным показателем того, где имеются ошибки измерения и, что еще более важно, где они быть.

В данной главе рассматриваются различные источники погрешности измерений, описывается, каким образом эти погрешности объединяются для выдачи одного значения погрешности, и показаны два типовых вычисления погрешности для типовых сценариев измерения уровня мощности.

Погрешности

Точность измерений уровня ВЧ-мощности зависит от множества факторов, определяемых измерительным устройством, тестируемым устройством («DUT»), характеристик измеряемого сигнала, установок измерительного устройства и воздействием окружающей среды. Все важно для определения общей погрешности - калибровка, частота сигнала, уровень и модуляция, рассогласование с источником и нагрузкой, и уровень помех.

Каждый из этих факторов вносит свой вклад в погрешность: некоторые факторы оказывают большое воздействие, а некоторые - совершено незначительное. Эти «составляющие элементы погрешности» могут быть математически объединены для выдачи одного значения погрешности для определенного типа измерения уровня мощности. Однако многие из этих значений могут существенно различаться для различных типов измерений, даже при использовании идентичного оборудования, то есть нет одного «справочного значения» для точности измерений уровня мощности.

Значения погрешности. При объединении значений погрешности важно, чтобы все значения были указаны в одних и тех же единицах измерения. Погрешность обычно указывается в виде доли или процента, где 0,0 % указывает на то, что ошибки в результат измерения не вносятся. В некоторых случаях значения погрешности предоставлены в виде логарифмических значений, часто в форме «± x,xx дБ».

Погрешность в наихудшем случае. Значения погрешности для каждого составляющего элемента обычно указываются как значения «в наихудшем случае», то есть погрешность измерения из-за какого-либо составляющего элемента не может быть больше, чем указано в спецификациях. В некоторых случаях также указываются «типовые» значения, и эти значения могут использоваться для лучшего понимания характеристик того или иного составляющего элемента погрешности.

Способ «суммарной погрешности в наихудшем случае» является самым консервативным способом вычисления точности, в котором суммируются значения каждого отдельного составляющего элемента погрешности в наихудшем случае. Формула для вычисления погрешности измерений в наихудшем случае:

Uнаихудшего случая

Как правило, многие составляющие элементы погрешности не зависят друг от друга и, таким образом, вероятность одновременного существования их максимальных значений (значений в наихудшем случае) чрезвычайно мала. По этой причине для объединения составляющих элементов погрешности для выдачи одного ожидаемого значения погрешности обычно используется более реалистичный способ, называемый способом «вычисления суммарной величины как квадратного корня из суммы квадратов составляющих» (RSS). Для вычисления суммарной погрешности с использованием способа RSS каждый составляющие элементы погрешности возводится в квадрат, все квадраты составляющих элементов суммируются и затем вычисляется квадратный корень из полученной суммы.

URSS =

Распределения погрешностей. Недостатком базового способа RSS является то, что он не учитывает того, что распределение ошибок для каждого составляющего элемента погрешности может иметь различные формы в пределах границ погрешности в наихудшем случае. Определенные типы ошибок характеризуются нормальным или гауссовским распределением с наибольшей плотностью распределения в узком диапазоне и малым числом ошибок с большими значениями. Предельные значения в наихудшем случае обычно выходят за пределы среднеквадратичных отклонений, и зачастую существуют способы подтверждения такого распределения. Некоторые ошибки могут линейно изменяться в пределах установленных границ и характеризуются равномерным распределением с равной вероятностью любой ошибки (большой или маленькой) в диапазоне предельных значений. Также возможны другие формы распределения (например, «U-образное» распределение), в большинстве случаев являющиеся производными нормальных распределений, которые «отключены» или принудительно установлены в пределах того или иного диапазона каким-либо процессом регулировки.

Для учета изменяющихся вероятностей этих распределений ошибок значения погрешностей в наихудшем случае для каждого составляющего элемента погрешности могут быть масштабированы или нормализованы с использованием соответствующих констант с целью регулирования распределения вероятностей составляющих элементов погрешности. После подобной нормализации значений в наихудшем случае процесс RSS может выдать более значащий результат.

Форма распределения представляет собой статистическое описание того, каким образом фактические значения ошибок могут отличаться от идеальных значений. Основными типами распределений является нормальное (гауссовское) распределение, равномерное распределение и U-образное распределение. Для каждого типа распределения используются свои коэффициенты «K»:

Формула для вычисления погрешности измерения RSS из значений в наихудшем случае и масштабных коэффициентов формы распределения является следующей:

где значения U₁ ? U_N представляют составляющие элементы погрешности в наихудшем случае, а значения K1 ? KN представляют нормализующие коэффициенты для каждого составляющего элемента погрешности на основе его формы распределения.

Результатом этого вычисления является так называемая «суммарная стандартная погрешность» (U_C) с уровнем достоверности около 68 %. Для получения более высоких уровней достоверности часто используется так называемая «расширенная погрешность». Использование коэффициента статистического покрытия со значением 2 обеспечивает расширенную погрешность с уровнем достоверности около 95 %:

Это является общепринятым способом в области измерений ВЧ-мощности.

4.1 Виды погрешностей в современном оборудовании

Погрешность измерительного устройства. Этот составляющий элемент погрешности представляет собой погрешность усиления и оцифровки в измерителе уровня мощности, а также погрешность из-за ухода параметров внутренних компонентов под воздействием температуры. В этот составляющий элемент погрешности также могут быть включены погрешности из-за потери в кабелях и соединителях между датчиком и измерителем уровня мощности. В большинстве случаев значение этого составляющего элемента погрешности очень мало, поскольку абсолютные погрешности в схеме устройства устранены выполнением калибровки в условиях эксплуатации (например, установкой на нуль датчиков и фиксированной калибровкой датчиков или ступенчатой калибровкой датчиков («AutoCal»)) и остаются только ошибки относительной линеаризации. Погрешность измерительного устройства является типовой спецификаций.

Погрешность уровня выходного сигнала калибратора. Этот составляющий элемент погрешности представляет собой погрешность уровня выходного сигнала калибратора для заданной установки калибратора, для которого поддерживается откалиброванное состояние. Значение этого составляющего элемента погрешности обычно является одиночной спецификацией для калибраторов с фиксированным эталонным значением уровня мощности (0 дБм) и изменяется в зависимости от уровня для калибраторов с переменным значением уровня мощности.

В случае датчиков, которые не калибруются в условиях эксплуатации, этим составляющим элементом погрешности можно пренебречь.

Погрешность из-за рассогласования с калибратором. Этот составляющий элемент погрешности представляет собой ошибку рассогласования, обусловленную разницей импеданса между выходом калибратора и входом датчика. Эта погрешность вычисляется на основе коэффициентов отражения

калибратора и на частоте калибровки по следующей формуле:

Погрешность из-за рассогласования с калибратором =

Коэффициент отражения калибратора обычно является спецификацией выхода калибратора или выхода устройства эталонного уровня ВЧ-мощности и может быть указан как КСВН. В этом случае соответствующий коэффициент отражения может быть вычислен по следующей формуле:

Коэффициент отражения

Коэффициент отражения датчика ( ) зависит от частоты и обычно указывается как спецификация датчика. Если этот коэффициент указан как значение КСВН, то для преобразования может использоваться указанная выше формула.

Погрешность из-за рассогласования с источником. Этот составляющий элемент погрешности представляет собой ошибку рассогласования, обусловленную разницей импеданса между выходом источника сигналов измерения и входом датчика. Для большинства измерений этот элемент имеет самое большое значение и поэтому необходимо уделить особое внимание для обеспечения наилучшего согласования между источником и датчиком. В этот составляющий элемент погрешности вносит свой вклад и датчик, тестируемое устройство, поскольку соединяются два соединителя. Значение погрешности из-за

рассогласования с источником вычисляется на основе коэффициентов отражения источника и датчика на частоте измерения по следующей формуле:

Погрешность из-за рассогласования с источником калибратором =

Коэффициент отражения источника является характеристикой тестируемого источника ВЧ-сигналов и обычно зависит от частоты и иногда от уровня. Этот коэффициент необходимо измерено или оценить.

Коэффициент отражения датчика ( ) зависит от частоты и обычно указывается как спецификация датчика.

При необходимости коэффициенты отражения источника и датчика могут быть вычислены на основе соответствующих значений КСВН по указанной выше формуле.

Ошибка формирования сигнала датчика. Этот составляющий элемент погрешности иногда называется «ошибкой линеаризации» и представляет собой остаточную нелинейность измерения после того, как выход датчика был линеаризован и масштабирован по уровню мощности процессами калибровки и формирования сигнала.

Калибровка обычно выполняется на шагах с дискретными уровнями и расширяется до всех уровней с использованием способа интерпретации кривых. Ошибка формирования сигнала датчика в этих точках калибровки близка к нулю и увеличивается между ними из-за ошибок алгоритма интерпретации кривых.

Кроме того, этот компонент ошибки формирования сигнала датчика обусловлен тем, что функция преобразования датчика не является идентичной на всех частотах. Опубликованная ошибка формирования сигнала содержит составляющие элементы погрешности для учета этих отклонений.

Если частота измерения близка к частоте калибровки в условиях эксплуатации и измерения выполняются на уровне, близком к одной из точек калибровки линейности в условиях эксплуатации, то для вычислений можно использовать значение ниже опубликованной погрешности.

Температурный коэффициент датчика. Этот составляющий элемент погрешности представляет собой ошибку, возникающую при значительном отклонении температуры датчика от температуры, при которой была выполнена калибровка датчика. Эта ошибка обычно указывается в «дБ/градус Цельсия» или в подобных единицах измерения, и может быть одиночным значением или зависеть от уровня. В этом случае значение этого составляющего элемента погрешности должно быть вычислено на основе разницы между текущей температурой, на которой выполняется измерение, и температурой, на которой была выполнена калибровка и затем должно быть масштабировано по погрешности в процентах.

Необходимо отметить, что если измерение выполняется точно при той же температуре, при которой была выполнена калибровка в условиях эксплуатации, то значение этого составляющего элемента погрешности равно нулю.

Уровень собственных шумов датчика. Этот составляющий элемент погрешности представляет собой погрешность, вносимую собственными шумами датчика, и оказывает воздействие на все измерения уровня мощности. Этот шум не обязательно генерируется непосредственно в самом датчике, а является шумом всей цепи измерения. Однако для удобства помехи при выполнении измерений обычно указываются как «справочный уровень помех на входе» и представляет собой уровень мощности (обычно в децибелах на милливатт или в нановаттах), который представлен на входе датчика.

Уровень собственных шумов датчика является наглядным качественным параметром мощности и может быть уменьшен путем фильтрации или усреднения. Этот шум обычно соответствуют белому гауссовскому шуму с ограниченной полосой и поэтому его амплитуда (и вклад в погрешность измерений) может быть уменьшена путем сужения ширины полосы частот измерений.

В спецификациях датчика часто указывается эффективный уровень шума с определенным уровнем фильтрации. Для измерений в непрерывном режиме степень фильтрации может быть указана как время интегрирования или коэффициент усреднения показаний. Для измерений в импульсном режиме часто используется коэффициент усреднения видеосигнала. Независимо от используемого способа важно понимать взаимозависимости между режимом сбора данных, частотой выборки и фильтрацией для проверки того, что используется корректное значение мощности шума.

Погрешность из-за собственных шумов датчика зависит от коэффициента шума измеряемого уровня мощности сигнала:

Погрешность из-за собственных шумов = Собственные шумы датчика (в ваттах) / Мощность сигнала (в ваттах) х 100 %

Коэффициент шума конкретного датчика мощности указывается в спецификациях датчика. Может потребоваться регулировка шума датчика для установки большей или меньшей фильтрации или усреднения в зависимости от варианта применения. Как правило, (в пределах диапазона до десяти значений спецификации) уровень шума обратно пропорционален используемой постоянной фильтра или усреднению. Ошибка из-за собственных шумов обычно не имеет существенного значения при измерении на высоких уровнях (на 25 дБ выше минимальной номинальной мощности датчика).

Дрейф нуля датчика. Этот составляющий элемент погрешности представляет собой погрешность показания из-за долговременного изменения показания при нулевом уровне мощности. Увеличение фильтрации или усреднения не уменьшает дрейф нуля. В случае измерений на низких уровнях этим значением можно управлять путем установки нуля измерителя перед выполнением измерений.

Погрешность из-за дрейфа нуля датчика зависит от коэффициента дрейфа измеряемого уровня мощности сигнала:

Погрешность из-за дрейфа нуля = Дрейф нуля датчика (в ваттах) / Мощность сигнала (в ваттах) х100 %

Подобно ошибке из-за собственных шумов датчика, ошибка из-за дрейфа нуля обычно не имеет существенного значения при измерении на уровнях на 25 дБ выше минимальной номинальной мощности датчика. В спецификации дрейфа нуля иногда указывается интервал времени (например, один час). Если прошло мало времени с момента выполнения установки на нуль или автоматической калибровки датчика, то дрейф нуля не имеет существенного значения.

Коэффициенты частотной калибровки датчика. Коэффициенты частотной калибровки датчика («коэффициенты калибровки») используются для коррекции отклонений амплитудно-частотной характеристики датчика. Эти коэффициенты калибровки определяются при выполнении заводской калибровки каждого датчика путем измерения на частотах из полного рабочего диапазона и сохранения отношения фактически подаваемого уровня мощности к измеренному уровню мощности на каждой частоте. Во время процедуры измерения результаты измерений умножаются на коэффициент калибровки для текущей частоты измерения для коррекции показания с целью получения плоской амплитудно-частотной характеристики. Коэффициенты калибровки также называются «коэффициентами эффективности» и могут указывать значение коррекции либо в процентах, либо в децибелах. Коэффициенты калибровки обычно определяются на предприятии-изготовителе, но, как любая калибровка, содержат разные типы погрешностей. Эти погрешности обусловлены как погрешностями эталонных устройств, так и погрешностями измерений при выполнении процесса калибровки, и имеют разные значения для каждой калибруемой частоты.

Если частота измерения находится между значениями с указанными коэффициентами калибровки датчика, то консервативный подход заключается в использовании большего значения погрешности. Также возможно использование линейной интерполяции.

Если частота измерения идентична частоте калибровки в условиях эксплуатации, то может использоваться нулевое значение погрешности из-за коэффициента калибровки, поскольку любая абсолютная погрешность в коэффициенте калибровки нейтрализуется при выполнении калибровки в условиях эксплуатации. На частотах, близких к частоте калибровки, погрешность из-за коэффициента калибровки только частично нейтрализуется при выполнении калибровки, поэтому обычно используется погрешность для следующей ближайшей частоты и ее последующей обработкой.

Заключение

Измерение мощности, особенно касательно ВЧ и ОВЧ излучений, достаточно сложный технический процесс. Однако определенные требования к измерениям и способам измерения обусловлены несомненной важности определения мощности, при выдерживании необходимого уровня погрешности. Рассмотренные используемые на сегодняшний день ключевые методы измерения высокочастотной мощности, включая следующие решения - измерение на основе выделенного тепла, измерение с использованием диодов, измерение с использованием приемника, измерение с использованием непосредственной выборки высокочастотных сигналов и измерение с использованием интегральных схем, явно демонстрируют постепенную эволюцию и разнообразие подходов к измерению данного параметра.

Список используемой литературы

1. Бурый Е.В., Енин В.Н. «Методы и средства измерения электрических величин в электротехнике» (С) 2012 МГТУ им. Н.Э. БАУМАНА.

2. «Основы метрологии и электрические измерения: Методические указания к лабораторным работам.» В. Н. Шивринский Ульяновск: УлГТУ, 1997. 120 с.

3. «Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника». Под редакцией К. К. Ким, Издательство «Питер», 2006.

Размещено на Allbest.ru