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