Szisztematikus kalibrálási eljárással. Az NI rádiófrekvenciás berendezéseivel végzett méréseknek igen jó a megismételhetősége és relatív pontossága. Ugyanakkor minden vektorjel-analizátor (VSA) és rádiófrekvenciás vektorjel-generátor (VSG) abszolút amplitúdó-pontossága kismértékben alulmarad az RF teljesítménymérőkkel szemben

Jelen értekezésben ismertetjük egy kalibrálatlan VSG/VSA-összeállítás eredendő belső korlátait, külső csillapítók alkalmazásának előnyeit, továbbá egy kalibrálási eljárást, amely a rádiófrekvenciás mérések amplitúdó-pontosságát növeli oly módon, hogy VSA/VSG-eszközökre épülő mérőrendszerek kalibrálása során referenciaműszerként teljesítménymérőt használ.

Tárgyaljuk az amplitúdó-pontosságot befolyásoló tényezőket is, valamint az eredőmérési bizonytalanság meghatározása érdekében az egyes bizonytalansági tényezőket figyelembe vevő modellt is bemutatjuk. Mindezek mellett ismertetünk egy automatizált NI TestStand (mérésautomatizálási) lépéssort is, melynek segítségével az NI PXIe-5663/PXIe-5673 típusú, 6,6 GHz-es RF mérőrendszer kalibrálható, referenciaként az NI USB-5680 típusú teljesítménymérőt használva. E lépéssor futtatásához a következő eszközök szükségesek: 1. NI PXIe-5663 típusú RF vektorjel-analizátor; 2. NI PXIe-5673 típusú RF vektorjel-generátor; 3. NI USB-5680 típusú RF teljesítménymérő; 4. mindkét végén SMA-aljzattal rendelkező toldó; 5. 2 db SMA-SMA kábel; 6. 2 db koaxális -SMA-csillapító (nem feltétlenül szükséges, de ERŐSEN ajánlott).

Bevezetés

Napjaink rádiófrekvenciás eszközei számos kihívást jelentenek a különféle követelményeket kielégítő, minőségi termékek megfelelőségét biztosító vállalatok számára. Az RF készülékek — mint például mobiltelefonok, WLAN-eszközök és hordozható GPS-vevők — iránti igény egyre fokozódik, így az elemi áramköri egységekkel — például erősítőkkel, keverőkkel — kapcsolatos kereslet is nő.

Egy olyan környezetben, amelyben az egyes RF eszközök beméréséhez, ellenőrzéséhez, minősítéséhez és gyártás közben való teszteléséhez szükséges vizsgálati képességekkel szembeni elvárások fokozódnak, mind a mérési sebességet, mind a pontosságot olyan irányba fejlesztik, hogy nagyobb számú tesztelőállomás alkalmazása esetén, hosszabb időtávlaton is jobb eredmények szülessenek.

A vizsgálati sebesség és pontosság általában ellentmond egymásnak, különösen rádiófrekvenciás teljesítménymérés esetén. Pontosabb és jobb megismételhetőséggel rendelkező jelszint-vizsgálatokhoz hosszabb mérési idő szükséges, az alkalmazott műszertípustól (pl. teljesítménymérő vagy spektrumanalizátor) és beállításoktól (pl. átlagolás) függően. A vizsgálati időt sok esetben a teljesítménymérés rovására rövidítik le az áteresztőképesség növelése érdekében.

A sebesség kontra pontosság problémára egy lehetséges megoldás a rádiófrekvenciás rendszerek kalibrálása. A következőkben RF jelgenerátorokból és jelanalizátorokból felépülő rendszerek kalibrálására szolgáló, általánosan használt, egyszerű eljárást ismertetünk a hátrányaival együtt. Leírjuk és számszerűsítjük a mérési hibák okait, megmutatva a jelentősebb tényezők mérséklésének módját is. Végül részletesen tárgyalunk egy olyan szisztematikus módszert, amely az RF jelgenerátorokból és jelanalizátorokból felépülő rendszerek kalibrálása során teljesítménymérőt használ referenciaként, megközelítve ily módon ez utóbbiak pontosságát a jelszint-mérés terén, a jelanalizátorok által biztosított gyorsabb mérési sebesség és nagyobb dinamikatartomány mellett.

Egyszerű, jelanalizátor-központú megközelítés

Induljunk ki az 1. ábrán látható, egyszerű mérési összeállításból! Az RF jelgenerátor itt közvetlenül csatlakozik a vizsgált készülék RF kapujához, sok esetben drága, kisveszteségű koaxiális kábellel, noha még ennek is van kismértékű, frekvenciafüggő vesztesége (LC(f)). A vizsgált készülék RF kapuján a frekvenciafüggetlen jelszint (Prx) biztosítása érdekében a jelgenerátor kimeneti teljesítményét (Psg) a következőképpen kell beállítani:

A fenti elrendezés minimális csatlakozási ponttal rendelkező, ideális összeállítás ugyan, azonban számos korlátja van. Jelentős mértékű hiba származhat a generátor kimeneti amplitúdójának bizonytalanságából, különösen kis jelszintek esetén.

A 2. ábrán az NI PXIe-5673 típusú jelgenerátor bizonytalanságai láthatók.
A generátor korlátozott körülmények között nyújtja a közölt működési jellemzőket. Számos műszer adatlapja behatárolja azt a hőmérsékleti sávot, amelyben a készüléknek a specifikált pontosság eléréséhez üzemelnie kell. A szobahőmérséklettől (25 °C-tól) általában kismértékben térnek el ezek a tartományok. Mivel a legtöbb gyárban a légkondicionálás kívánnivalót hagy maga után és évszakonként is változik a hőmérséklet, reálisan feltételezhető 10 °C-os hőmérséklet-változás.

Az 1. ábrán látható összeállítás másik eredendően gyenge pontja az impedanciák illesztetlenségéből adódó hiba, amit a generátor és a vizsgált készülék impedanciája közötti különbség okoz. Az illesztetlenség mindig komoly hibaforrás a rádiófrekvenciás teljesítménymérések során, a vizsgálatok bizonytalanságának jellemzően legjelentősebb összetevője. Az illesztetlenség alábbi elemzése során a következő feltételezésekből indulunk ki:

• A kábelek és átalakítók reflexiós vesztesége elhanyagolható [másképpen fogalmazva, csak a jelgenerátor és a vizsgált készülék impedanciáját/állóhullámarányát (VSWR-értékét) vesszük figyelembe];
• A jelgenerátor és a teljesítménymérő impedanciája közötti eltérésből adódó illesztési hibát is elhanyagoljuk, mert a teljesítménymérők reflexiós vesztesége jellemzően kisebb, mint —25 dB. A generátor és a vizsgált készülék közötti illesztetlenséghez képest ez igen kis mértékben járul hozzá az eredő hibához;
• A Rohde & Schwarz SMIQ típusú generátor gyárilag megadott állóhullámaránya 2 GHz feletti frekvenciákon kisebb, mint 2,0, míg az NI PXIe-5673 típusú egységé —10 dBm-nél alacsonyabb jelszintek esetén 1,9. A jelen levezetések során 1,9-es állóhullámaránnyal számolunk.

A vizsgált készülékek állóhullámaránya általában rossz. A jelen példában 2,5-es VSWR-értéket feltételezünk. Az illesztési hiba kiszámítását a 3. ábra szemlélteti.

Az előbbi feltevések alapján az illesztetlenségből adódó bizonytalanságok az A0 (VSWR = 1,9) és B0 (VSWR = 2,5) referenciasíkok között a következők:

Ebből következően a rossz impedanciaillesztésből adódó bizonytalanság közelítőleg -1,25 és +1,10 dB közötti.

Számos felhasználó igyekszik elkerülni a jelgenerátor amplitúdó-bizonytalanságának és a kimenethez csatlakoztatott kábelveszteségének kompenzálása miatt szükséges rendszerkalibrálást. Ehelyett szívesebben használnak teljesítménymérőt, kedvező áruk és nagy pontosságuk miatt, azonban ezek a műszerek általában szélessávúak, a -60 dBm-nél lényegesen kisebb teljesítményű, gyenge jelek pedig a legtöbb esetben kívül esnek az érzékelőik működési tartományán. Ez utóbbi jellemzően a 100 pW (-70 dBm) nagyságrendű nullszinteltolódásuknak köszönhető.

Mindezek következtében sokan a jelgenerátor amplitúdóhibájának és a kábelveszteségnek az eredőjét mérik meg egy jelanalizátor segítségével, amint a 4. ábrán látható. Ennél az összeállításnál a vizsgált készüléket egy jelanalizátor helyettesíti, amely kisszintű szinuszjeleket is képes érzékelni.

Az 5. ábrán az NI PXIe-5663 típusú egység abszolút pontosságának határadatai láthatók. Megfigyelhető, hogy a jellemző mérési bizonytalanság +0,65 dB.

Az impedancia-illesztetlenségből adódó, közelítőleg 1,1 dB-es bizonytalanság és az analizátor teljesítménymérésének 0,65 dB körüli hibája együttesen a következő eredő bizonytalansághoz vezetnek:
ni-005.jpg

Javított módszer csillapító beiktatásával

A 4. ábrán látható összeállítást vesszük alapul, melyben egy La(f) karakterisztika szerinti frekvenciafüggő csillapítással rendelkező csillapítóval egészítjük ki a jelutat. Ezt az eszközt általában a vizsgált készülék RF-kapujához közel helyezik el vagy közvetlenül a kapuhoz csatlakoztatják a reflexiós veszteség csökkentése érdekében. A kábel Lc(f) frekvenciafüggő veszteségét is figyelembe véve a jelgenerátor Psg kimeneti jelszintjét a következőképpen kell beállítani:

A 7. ábrán feltüntetett illesztési hibák alábbi elemzése során a következő feltételezésekből indulunk ki:

• Jó minőségű, —30 dB-nél kisebb reflexiós veszteséggel rendelkező, SMA-csatlakozós csillapítót használunk.
• Ebben az esetben is elhanyagoljuk a jelgenerátor és a teljesítménymérő impedanciája közötti eltérésből adódó illesztési hibát, mivel a teljesítménymérők reflexiós vesztesége általában kisebb mint —25 dB. A generátor és a vizsgált készülék közötti illesztetlenséghez képest ez igen kis mértékben járul hozzá az eredő­hibához.

Az A1 síkra nézve a csillapítónak köszönhetően javul az állóhullámarány, éppen a csillapítóra jellemző VSWR-értékre beállva. A generátorcsillapító elrendezésre a kétkapu-levezetést elvégezve és a Mason-összefüggést felhasználva adódik, hogy:

A következő feltételezésekkel élve:

Az összefüggés értelmében a visszavert jelszint a csillapítás értékének kétszeresével csökken:

6 dB-es csillapítót használva (melynek állóhullámaránya 1,05), a generátorra nézve 1,92-ről 1,23-ra csökken a VSWR-érték. A 8. ábráról leolvasható, hogy a különféle csillapítók milyen mértékben csökkentik az illesztetlenségből fakadó bizonytalanságot.

Az 1,23-as állóhullámaránnyal rendelkező A1 és a 2,5-es állóhullámarányú B0 referenciasík közötti illesztetlenségből fakadó bizonytalanságok ekkor a következők lesznek:

Vessük össze a csillapító beiktatása esetén kapott fenti értékeket az előző, csillapító nélkül adódó illesztetlenségi bizonytalanságokkal:

Precíziós megközelítés

Miután megmutattuk, hogy a mérési bizonytalanság milyen módon csökkenthető a jelútba beiktatott csillapító segítségével, a mérőberendezések szerepét vizsgáljuk meg részletesen! A teljesítménymérők pontossága felülmúlja a spektrum-, illetve jelanalizátorokét, de dinamikatartományuk jellemzően nem megy -40 dBm alá. A jelanalizátorok ennél lényegesen gyengébb jeleket is képesek mérni (-100 dBm-nél alacsonyabb szinteket), de ilyen kis teljesítményeknél általában leromlik a pontosságuk.

A leírtak azt sugallják, hogy ha mind kis, mind nagy teljesítményű jelek előállítására és mérésére, valamint e jelszintek mellett átviteli jellemzők vizsgálatára alkalmas rádiófrekvenciás rendszert kívánunk létrehozni, könnyen ellentmondásokba ütközhetünk. Például: tegyük fel, hogy a vizsgált készüléket -30 dBm és -100 dBm jelszintnél kell tesztelni. A generátor kimenetére csatlakoztatott teljesítménymérő segítségével, valamint a jelet továbbító kábel felhasználásával kikalibrálható a kábelveszteség és a generátor (l. 1. táblázat) együttes amplitúdóátviteli bizonytalansága -40 dBm teljesítményen. Ily módon a teljesítménymérő pontossága hatékonyan átvihető a jelgenerátorra, feltéve, hogy az elrendezés változatlan marad (például, nem módosítjuk a teljesítményszintet, a frekvenciát, nem kapcsoljuk/állítjuk át a csillapítót stb.). A pontossági hiba és a kábelveszteség a jelgenerátor kimenetén kompenzálható, valamint a vizsgált készülék bementére 60 dB-es csillapítót csatlakoztatva -100 dBm kalibrált jelszintű gerjesztést hozhatunk létre.

Ugyanakkor, a vizsgált készülék bemenetén -30 dBm teljesítményű jel létrehozásához közelítőleg +30 dBm-es szinten kell a generátort kivezérelni, ami jellemzően nem érhető el külső erősítő nélkül. Emiatt azonban bonyolultabb lesz a mérőrendszer és megnő a bizonytalanság. A kis és nagy teljesítményszintek pontos előállítására, illetve vizsgálatára szolgáló rendszerek dinamikatartományát érintően komoly kihívást jelent, hogy a teljesítménymérők korlátozottan képesek gyenge jeleket érzékelni — olyan összeállítást feltételezve, amely a jelútba sorosan beiktatott, állandó értékű csillapítót is tartalmaz.

Mielőtt ismertetünk egy precíziós kalibrálási eljárást, amely segítségével a teljesítménymérők pontossága széles dinamikatartományban, kismértékű csillapítás beiktatásával átvihető mind a jelgenerátorokra, mind a jelanalizátorokra, elemezzük a teljesítménymérők bizonytalanságát, megalapozva az utána következő levezetéseket!

A teljesítménymérők bizonytalansága

A teljesítménymérőkre épülő kalibrálási eljárások esetében kritikus jelentőségű, hogy tisztában legyünk a műszer jelezte értékek bizonytalanságának hátterével. Ebben a szakaszban a teljesítménymérő bizonytalanságának összetevőit ismertetjük, kiemel­ve a legfontosabb tényezőket. A levezetések során az NI USB-5680 típusú eszközt vesszük alapul, noha az elmondottak más hasonló berendezésekre is érvényesek. Ugyanitt a bizonytalanság kiszámítására szolgáló szoftverre mutató hivatkozás is található.

Az USB-5680 teljes hibájának kiszámításakor első lépés a mérési hiba egyes össze­tevőire jellemző bizonytalanságok meghatá­rozása. A 9. ábra szemlélteti az USB-5680 esetében a különféle hibaforrásokat, 1 GHz-es frekvencián, 0 dBm, illetve -35 dBm jelszint mellett. A három legjelentősebb összetevő az impedanciaillesztetlenség, a linearitás és a kalibrálási tényező, melyek közül jellemzően az illesztetlenség részaránya a legnagyobb. A teljesítménymérő dinamikájának alsó határa környékén a zaj- és nullszint­hiba eredőbizonytalanságon belüli részaránya megnő. Emellett a teljesítménymérőket jellemzően 0 dBm-en kalibrálják, így a rádiófrekvenciás rendszerek kalibrálása során is ez a széles körben használt jelszint.

A számítások fontos eleme, hogy minden bizonytalanságot a szórásával normalizálunk, ehhez azonban ismerni kell az egyes összetevők eloszlásfüggvényét. Az 1. táblázatban az egyes bizonytalanságok összetevői, a rájuk jellemző eloszlások és a normalizálásukhoz szükséges arányosítási tényezők láthatók.

Az eredő standard bizonytalanság ezt követően az egyes összetevők alábbi összefüggés szerinti eredőjeként számítható ki:

Felhasználva, hogy az NI PXIe-5673 típusú eszköz 1,9-es állóhullámaránnyal rendelkezik 1 GHz-en, 0 dBm jelszint mellett, a teljes eredőbizonytalanság a következőképpen alakul:

Érzékelő linearitása = 0,075 dB
Kalibrálási tényező = 0,030 dB
Zaj = 0,001 dB
Nullszinteltolódás = 0,001 dB
Illesztetlenség = 0,090 dB

A fent kiszámított eredő standard bizonytalanság a mérési bizonytalanság egy szórásnyi részét fedi le. Az elemzés teljessége érdekében a kiterjesztett bizonytalanság a következőképpen határozható meg:

„k" értékével állítható be a mérés során elérni kívánt megbízhatósági tartomány szélessége. Normáleloszlás esetén a k = 1 érték 68%-os megbízhatóságot jelent, ami az eredő standard bizonytalanság kiszámítása során az első lépésben meghatározott megbízhatósági tartomány. k = 2 értékhez 95%-os megbízhatóság tartozik normáleloszlás esetén. A k = 2 érték alkalmazása esetén a mért értékek az esetek 95%-ában beleesnek a kiterjesztett mérési hibával számolt tartományba. A normáleloszlás megbízhatósági tartományait a 10. ábra szemlélteti grafikusan.

A bizonytalanságok forrásainak és egy rendszer abszolút pontosságának tisztázása után részletesen áttekintjük az elrendezésünk kompenzálására szolgáló kalibrálási eljárást.

A kalibrálási eljárás részletei

Az alábbiakban tárgyalt precíziós kalibrálási eljárás mérési elrendezése a 11. ábrán látható. Az impedanciaillesztetlenségekből adódó hibák mérséklése érdekében a vizsgált eszköz be- és kimeneti kapuihoz csillapítókat iktattunk be, amint azt korábban már említettük. Az összeállítás NI PXIe-5673 RF típusú vektorjel-generátort, NI PXIe-5663 típusú RF vektorjel-analizátort és egy NI USB-5680 típusú RF-teljesítménymérőt tartalmaz. A következő feltevésekből indulunk ki:

• Jó minőségűek az SMA-csatlakozós csillapítók, —30 dB-nél kisebb reflexiós veszteséggel rendelkeznek.
• A jelgenerátor és a teljesítménymérő impedanciája közötti eltérésből adódó illesztési hibát megint elhanyagoljuk, mert a teljesítménymérők reflexiós vesztesége jellemzően kisebb, mint —25 dB. A generátor és a vizsgált készülék közötti illesztetlenséghez képest ez igen kis mértékben járul hozzá az eredő hibához.
• A kábelek és átalakítók reflexiós vesztesége elhanyagolható (másképpen fogalmazva, csak a jelgenerátor és a vizsgált készülék impedanciáját/állóhullámarányát (VSWR-értékét) vesszük figyelembe).

Ez a kalibrálási eljárás három fő lépésből áll:

1. A teljesítménymérő által jelzett szint, mint referenciaszint átvitele a generátorra egy adott teljesítményen.
2. A jelgenerátor által szolgáltatott szint, mint referenciaszint átvitele az analizátorra különféle teljesítményekre vonatkozóan, befolyásolva az NI PXIe-5673 típusú digitális-analóg átalakító (DAC) linearitását.
3. A jelanalizátoron beállított referenciaszintek visszatükrözése a jelgenerátorra.

A fenti lépéseket a LabVIEW fejlesztőkörnyezetben futó NI TestStand lépéssorokról és az eredményként kapott adatokról készített képernyőfelvételekkel illusztráljuk.

1. lépés. — A teljesítménymérő által jelzett szint mint referenciaszint átvitele a generátorra

A kalibrálási eljárás első lépéséhez tartozó összeállítás a 12. ábrán látható. E művelet célja a teljesítménymérő pontosságának átvitele a jelgenerátorra különféle frekvenciákon, de egyetlen jelszinten. A vizsgált készülék helyére egy mindkét végén SMA-aljzattal rendelkező toldó került, melynek egyik feléhez a jelgenerátort követő, csillapító utáni kábel csatlakozik (amelyet normálesetben a vizsgált készülék bemenetére kötnénk), másik feléhez pedig a teljesítménymérő. Feltételezzük, hogy ideális toldóval dolgozunk, azaz se beiktatási vesztesége, se reflexiója nincs.

Ennél a lépésnél 0 dBm jelszintet alkalmazunk, mert magát az USB-5680 típusú berendezést is ekkora teljesítménnyel kalibrálták. Ez a lépés a jelen értekezés elején tárgyalt művelettel értelemszerűen megegyezik, azzal az eltéréssel, hogy a spektrum/jelanalizátort az USB-5680 típusú teljesítménymérő helyettesíti.

Az eddig leírtak a jelgenerátoraikat teljesítménymérővel kalibráló rádiófrekvenciás-szakemberek számára ismerősek lehetnek, azzal a különbséggel, hogy általában nem kell számos különféle teljesítményszint mellett elvégezni a műveleteket, mert a jelgenerátorokat egyébként is a teljesítménymérők dinamikatartományán belül szokták kivezérelni, így a teljesítménymérők mindig felhasználhatók mérőeszközként. Az ilyen esetekben tehát egyszerűen minden szükséges frekvencián és teljesítményszinten elvégezhető a kalibrálás. Az eddig említett eljárással a teljesítménymérő pontossága csak egy adott teljesítményszinten vihető át a jelgenerátorra. A következőkben azt mutatjuk meg, hogy ez a pontosság milyen módon vetíthető rá a jelanalizátorra különféle teljesítményszinteken. Ismételten hangsúlyozzuk, hogy ezen műveleteknek az a célja, hogy legvégül a generátor és az analizátor széles működési tartományában mindenhol a teljesítménymérőkre jellemző pontosságot tudjuk elérni.

A 13. ábrán az NI TestStand alatti automatizált kalibrálási lépéssor egy képernyőfelvétele látható, amikor a rendszer arra szólítja fel a felhasználót, hogy csatlakoztassa az USB-5680 típusú eszközt az SMA-SMA toldó túlsó végéhez.

A 14. ábrán az 1. lépés során 1,8 GHz és 2,1 GHz között felvett adatok láthatók.

2. lépés. — A jelgenerátor által szolgáltatott szint mint referenciaszint átvitele az analizátorra

A kalibrálási eljárás következő lépése a teljesítménymérőről jelgenerátorra leképezett referenciaszintek visszatükrözése a jelanalizátorra. A jelen értekezés tárgyát képező eljárásnak ez az egyedi eleme, mert a mért referenciaértékek jelanalizátorra történő leképezése során kihasználja az alapsávi tetszőleges hullámforma-generátor (AWG) digitális-analóg átalakítójának (DAC) linearitását.

Az NI PXIe-5450 típusú, kétcsatornás, tetszőleges hullámforma-generátor a teljes NI PXIe-5673 típusú vektorjel-analizátor egyik részét alkotó alapsávi jelforrás (további alkotóelem az NI PXIe-5611 típusú I/Q vektormodulátor és az NI PXI-5652 típusú RF jelgenerátor, amely itt a helyi oszcillátor szerepét tölti be).

Az 1. lépésben az NI PXIe-5673 típusú egységre vonatkozóan végeztünk referencia-teljesítményszint-mérést 0 dBm jelszinttel. Az egyes frekvenciákon mért teljesítmények és a hozzájuk tartozó eltolódások a generátor bizonytalanságát jellemzik az adott frekvencián és jelszintnél. Ennél a lépésnél logikusnak tűnhet az NI PXIe-5673 típusú egységet beprogramozni arra, hogy különféle teljesítményszintekkel léptessen végig az előbbi összes frekvencián. Az egység különféle jelszintekre való felprogramozásával és ezen szintek esetén az előzőleg felvett korrekciós értékek egyszerű alkalmazásával figyelmen kívül hagynánk a jelgenerátor kimenetének nemlinearitásai által okozott, illetve a különböző csillapítóbeállításokból következő járulékos bizonytalanságokat.

Mivel az NI PXIe-5450 típusú egység digitális-analóg átalakítójának jobb a linearitása, mint az NI PXIe-5673 modul kimeneti RF-fokozatáé, ez utóbbi csillapítóját állandó értékűre kapcsolva és a kimeneti teljesítményt az alapsávi fokozat segítségével vezérelve különösen lineáris kimeneti teljesítményszint-beállításokat érhetünk el, meghaladva a csillapítókkal és RF erősítőkkel RF-szinten biztosítható pontosságot. Az NI PXIe-5673 modul ekkor az összes csillapítóját az 1. lépés során végrehajtott referenciaértékek felvételekor használt beállításban tartja, míg a jelszintet egyszerűen az NI PXIe-5450 digitális-analóg átalakító segítségével futtatja lefelé. Minden egyes léptetés során a jelanalizátor új referenciaszint-beállítással kerül felprogramozásra, így a referenciamérések eredményeinek segítségével az NI PXIe-5663 egység csillapítóinak hatása, az analizátor belső csillapítójának átvitele és a kábelveszteség együttesen visszakompenzálható.

E 2. lépés révén a jelgenerátorral felvett teljesítménymérő-pontosságú referenciaértékek hatékonyan leképezhetők a jelanalizátorra ez utóbbi különféle referenciaszint- és csillapítóbeállításai mellett. Ezen lépés végén tehát rendelkezésünkre áll egy különféle jelszintekre kalibrált jelanalizátor, valamint egy adott teljesítményszintre kalibrált jelgenerátor.

A 16. ábrán az NI TestStand alatti automatizált kalibrálási lépéssor azon képernyőfelvétele látható, amikor a rendszer arra szólítja fel a felhasználót, hogy csatlakoztassa az USB-5663 típusú modult az SMA-SMA toldó másik végéhez a jelanalizátor kábelén és csillapítóján keresztül.

3. lépés. — A jelanalizátoron beállított referenciaszintek visszatükrözése a jelgenerátorra

A kalibrálási eljárás utolsó lépése során az összeállítás ugyanaz, mint a megelőző szakaszban (lásd 12. ábra), csupán a jelgenerátort kell különféle jelszintekre kalibrálni a 2. lépésben több referenciaszintre kalibrált jelanalizátor segítségével.

Minderre azért van szükség, mert az 1. lépés során a generátort egyetlen teljesítményszintre kalibráltuk, míg a 2. lépésben digitális-analóg átalakítót felhasználva, a jelgenerátor szintjének digitális úton történő állításával kalibráltuk az analizátort. Hátravan még azonban a jelgenerátor kalibrálása olyan esetekre, amikor különféle teljesítményeket kell leadnia úgy, hogy az RF-csillapítók állítása is engedélyezett.

A kalibrált rendszer néhány eredő értékét szemlélteti a 17. ábra, amikor a generátor és a jelanalizátor kábeleit a 12. ábrán látható módon, közvetlenül az SMA-SMA toldón keresztül kötjük össze.

Hőstabilitás

Minden kalibrálási művelet fontos tényezője a hőmérséklet-változás által okozott elcsúszás. A hőmérséklet-változás fizikai kihatással van a teljes rendszerre a kábelek és nyomtatott huzalozások hosszának módosításán, a termikus zaj csökkentésén vagy növelésén és egyéb jelenségeken keresztül. Ideális esetben a rendszer a kalibrálás helyszínével megegyező hőmérsékletű környezetben működik. A következőkben a fenti példában szereplő, a National Instruments 6,6 GHz-es RF-platformjára és USB-5680 típusú eszközére épülő mérőrendszer hőmérséklet következtében fellépő potenciális járulékos bizonytalanságát elemezzük.

• Az NI PXIe-5673 típusú egység hőmérsékleti eltolódása kisebb, mint 0,2 dB/10 °C.
• Az NI USB-5680 típusú teljesítménymérő hőmérsékleti eltolódása kisebb, mint 0,06 dB/50 °C.
• Az NI PXIe-5663 típusú egység hőmérsékleti eltolódása kisebb, mint 0,2 dB/10 °C.

Ezen értékek relatív alacsony mivolta következtében (az alkalmazástól függően) nyugodtan elhanyagolhatjuk a hőmérsékleti eltolódás hatását, feltéve, hogy az üzemi környezet hőmérséklete megfelelően közel van a kalibrálási hőmérséklethez (+2 °C).

Egy szintén fontos, a hőmérséklethez kapcsolódó tényező a beállási idő. Minden vizsgált készülék és műszer egy rá jellemző hőmérsékleti beállási idővel is rendelkezik. A 18. ábrán a mért teljesítmény idő függvényében való változása figyelhető meg. Az előzőekben tárgyalt kalibrálási eljárás során az egyes mérések addig ismétlődnek meg amíg két egymást követő mérés eredményének eltérése egy adott küszöbszint (alapesetben 0,05 dB) alá nem kerül.

Megismételhetőség

A jelen értekezésben javasolt eljárás javítja a pontosságot, mivel a mérési összeállítás belső átviteli tulajdonságait kompenzálja. A mérés a kalibrálási frekvenciákon és jelszinteken az alábbiakban bemutatott kísérleti értékeket mutatja.

A rendszer kompenzálása előtt az összes számításba jövő jelszinten és frekvencián a 19. ábrán látható módon alakul a teljes mérési hiba.

A 19. ábra adatai alapján a 20. ábra hisztogramját megfigyelve látható, hogy az átlagérték -1,5 dB körül van (átlagos kábelveszteség). A szórás 0,25 dB és a teljes tartomány szélessége közelítőleg 1,23 dB.

A 17. ábra eloszlását kiszámítva jutunk az alábbi hisztogramhoz (21. ábra).

E hisztogramnak az átlaga 0,008 dB, szórása 0,01 dB, tartományának szélessége pedig 0,145 dB.

A közölt adatok az összes szerepet játszó, különféle eloszlású tényező mért (eredő) hibáját tükrözik. E modell segítségével felfedhető, hogy melyik hiba van a legnagyobb hatással a bizonytalanságra, és kimutatható a különféle összeállítások gyenge pontja.

Következtetések

A jelen értekezésben egy egyszerű, ugyanakkor teljes értékű eljárást mutattunk be a rendszerpontosság fokozására irányuló, az NI rádiófrekvenciás műszerein elvégezhető rendszerkalibrálásra. Abszolút eredmények biztosítása érdekében a rendszert teljesítménymérőhöz kalibráltuk. Levezettük a teljes eredő bizonytalanságot jellemző értékeket, a kísérleti mérések pedig visszaigazolták a tipikus javulás mértékét az abszolút pontosság terén.

A National Instruments honlapja