Предохранительные адаптеры — это переходники, которые размещают между соединителем передней панели измерительного прибора и кабелями или исследуемыми устройствами. В случае повреждения или износа их можно легко заменить

Ключевые принципы измерений в миллиметровом диапазоне частот

№ 3’2018
PDF версия
Измерения в миллиметровом диапазоне требуют особой точности и аккуратности. Однако с появлением все большего числа измерительных приборов миллиметрового диапазона длин волн технические проблемы становятся все менее пугающими. Анализаторы сигналов теперь перекрывают диапазон частот до 110 ГГц в коаксиальных трактах без применения внешних смесителей. Они обеспечивают низкий уровень шума, высокую точность и широкую полосу пропускания, позволяя инженерам сосредоточить внимание на своих проектах и полученных результатах измерений, а не на том, как объединить разрозненные измерительные приборы в единую измерительную систему, аттестация и прослеживаемость результатов измерений которой могут быть под вопросом.
Соединители «розетка» и «вилка» тракта 1 мм. Центральный проводник соединителя справа имеет диаметр всего в четверть миллиметра

Рис. 1. Соединители «розетка» и «вилка» тракта 1 мм. Центральный проводник соединителя справа имеет диаметр всего в четверть миллиметра

Однако все достигнутые с большим трудом результаты могут быть поставлены под сомнение, если упустить хотя бы один из базовых принципов выполнения достоверных измерений на столь высоких частотах.

По определению, к миллиметровому диапазону длин волн относятся частоты 30–300 ГГц и длины волн до 1 мм. Столь малые длины волн являются причиной возникновения многих проблем. Чтобы понять, как много подводных камней таят в себе измерения в миллиметровом диапазоне частот, начнем с простого и наглядного примера — соединителей.

На рис. 1 крупным планом показаны коаксиальные соединители «розетка» и «вилка» тракта 1 мм, в котором высшие моды возникают только на частотах свыше 110 ГГц. Малые размеры и прецизионная геометрия соединителей и кабелей миллиметрового диапазона длин волн требуют специальной обработки и технологий изготовления. Они неизбежно имеют высокую цену и предусматривают деликатное обращение, ведь чем выше частота, тем меньше размеры соединителей. Не все типы соединителей в этом диапазоне частот механически совместимы. И даже если такая совместимость обеспечивается, все соединения как разнотипных, так и однотипных соединителей представляют собой неоднородности с определенным импедансом, порождающие рассогласование, которого следует избегать везде, где это возможно.

Рассмотрим четыре основных принципа, которых нужно придерживаться при выполнении измерений в миллиметровом диапазоне длин волн.

 

Подключение к анализатору сигналов

Несмотря на установившуюся практику размещать на передней панели измерительных приборов соединители типа «розетка», для измерительного оборудования миллиметрового диапазона, как правило, используют соединители «вилка». Соединитель «вилка» обеспечивает несколько большую защиту от различного рода повреждений

Рис. 2. Несмотря на установившуюся практику размещать на передней панели измерительных приборов соединители типа «розетка», для измерительного оборудования миллиметрового диапазона, как правило, используют соединители «вилка». Соединитель «вилка» обеспечивает несколько большую защиту от различного рода повреждений

Возможно, самым важным соединителем является тот, который размещен на передней панели измерительного прибора (рис. 2). В миллиметровом диапазоне длин волн наилучшим выбором являются соединители типа «вилка», несмотря на их большую хрупкость в сравнении с соединителями «розетка». Обычной практикой является подключение на вход измерительного прибора предохранительного адаптера «розетка-розетка» (рис. 3), но последствия такого выбора заключаются в том, что с увеличением частоты возрастают рассогласование и вносимые адаптером или кабелем потери. Иногда имеет смысл приобрести кабели с правильным типом соединителей на каждом конце, невзирая на дополнительные затраты и сложности, особенно учитывая то, насколько важно сохранить мощность сигнала и высокие метрологические характеристики на этих частотах. Кабели, изготовленные на заказ, могут быть настолько короткими, насколько это вообще возможно. Действительно, один из способов, который зачастую упускают из вида, состоит в том, чтобы держать исследуемое устройство (ИУ) и измерительный прибор как можно ближе друг к другу.

Предохранительные адаптеры — это переходники, которые размещают между соединителем передней панели измерительного прибора и кабелями или исследуемыми устройствами. В случае повреждения или износа их можно легко заменить

Рис. 3. Предохранительные адаптеры — это переходники, которые размещают между соединителем передней панели измерительного прибора и кабелями или исследуемыми устройствами. В случае повреждения или износа их можно легко заменить

 

Уход за соединителями

Рис. 1 напоминает нам еще об одном немаловажном аспекте — уходе за соединителями. У данных соединителей не наблюдается явных повреждений или нарушений геометрии, но, очевидно, притсутствует некоторое загрязнение. Для соединителей, используемых в диапазонах СВЧ и миллиметровых длин волн, необходимо применять специальные материалы и методы чистки по причине их малых размеров. Кроме того, для контроля нахождения основных геометрических размеров соединителей в пределах жестких допусков, которые гарантируют приемлемое рассогласование по величине импеданса, используют специальные средства контроля геометрии соединителей (рис. 4).

Для контроля нахождения основных геометрических размеров соединителей в пределах жестких допусков, которые гарантируют приемлемое рассогласование по величине импеданса, важно использовать специальные средства контроля геометрии соединителей

Рис. 4. Для контроля нахождения основных геометрических размеров соединителей в пределах жестких допусков, которые гарантируют приемлемое рассогласование по величине импеданса, важно использовать специальные средства контроля геометрии соединителей

 

Использование динамометрических ключей для подключения соединителей

Выбор динамометрического (тарированного) ключа с правильным усилием затяжки — еще один основополагающий принцип обеспечения качественного соединения при работе в миллиметровом диапазоне длин волн. Для минимизации рассогласования по величине импеданса и вносимых потерь крайне важны правильный выбор и использование динамометрического ключа. Также необходимо помнить о методах предотвращения механического повреждения соединителей.

Следует с осторожностью использовать ключи, поскольку усилия, которые вы прикладываете при затяжке гаек с помощью них, гораздо сильнее, чем если бы вы делали это просто пальцами, и вы не можете их ощущать и в полной мере контролировать. Кроме того, нужно учитывать, что при подключении нескольких соединенных последовательно или просто длинных переходников, а также в случаях, когда исследуемое устройство подключается к измерительному порту напрямую, без использования кабелей, может возникнуть чрезмерное механическое напряжение на излом. На рис. 5 описан один из примеров — механическое напряжение в результате приложения ключом усилия, направленного вверх.

Использование правильно подобранных динамометрических ключей при закручивании и раскручивании гаек соединителей является хорошей практикой, но их неправильное применение может стать причиной чрезмерного механического напряжения в результате приложения ключом усилия, направленного вверх. При подключении и отключении соединителей следует поддерживать малый угол между двумя ключами, тогда такой проблемы не возникнет

Рис. 5. Использование правильно подобранных динамометрических ключей при закручивании и раскручивании гаек соединителей является хорошей практикой, но их неправильное применение может стать причиной чрезмерного механического напряжения в результате приложения ключом усилия, направленного вверх. При подключении и отключении соединителей следует поддерживать малый угол между двумя ключами, тогда такой проблемы не возникнет

 

Использование внешних смесителей

Учитывая потери, вносимые соединительными устройствами коаксиальных трактов, и трудность физической реализации соединения волноводных трактов, инженеры часто рассматривают возможность применения внешних смесителей (рис. 6). Интеллектуальные смесители компании Keysight перекрывают диапазон частот 50–110 ГГц и обеспечивают гораздо большее удобство и точность, чем смесители предыдущего поколения. Они могут служить в роли детекторной головки, которая позволит перенести плоскость измерений непосредственно на выход исследуемого устройства. В случаях, когда анализаторам сигналов не хватает их собственного диапазона рабочих частот, он может быть расширен в область высоких частот с помощью смесителей.

Интеллектуальный смеситель позволяет перенести плоскость измерений на выход исследуемого устройства

Рис. 6. Интеллектуальный смеситель позволяет перенести плоскость измерений на выход исследуемого устройства

 

Заключение

Перечисленные принципы являются базовыми и должны непосредственно применяться в повседневной практике, особенно при работе в миллиметровом диапазоне длин волн.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.