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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Cómo encarecer un analizador de espectro barato. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Tecnología de medición Si se hace necesario evaluar el ancho de banda de la señal emitida, la inestabilidad de la frecuencia de operación, la supresión de emisiones fuera de banda y espurias, la distorsión de la señal de banda base del radiotransmisor, ¿qué hacemos? Así es, ¡llévate tu analizador de espectro (AC) HP 8560 serie E y mide todo lo que necesitas! Pero déjame decirte, no tengo HP, ¡tengo el analizador más común de la producción más doméstica del mundo! En este caso, estarás de acuerdo conmigo en que la sensibilidad de un analizador de espectro nunca es demasiado alta. La sensibilidad, francamente, siempre no es suficiente, porque. tratar con señales muy pequeñas. La segunda cosa con la que seguramente estarás de acuerdo es que siempre hay poco rango dinámico, ¡siempre quieres más! Se necesita un amplio rango dinámico cuando se observa el espectro de una señal en presencia de una interferencia muy fuerte u otra señal. En la mayoría de los casos, este problema surge al evaluar el nivel del segundo o tercer armónico de la señal del transmisor. Al estudiar los folletos de eminentes fabricantes de equipos de medición, a veces se convierte en una vergüenza para su propio analizador. Entonces, para tener algo que responder a los "imperialistas", compartiremos con ustedes algunos consejos y recomendaciones sobre cómo lograr la sensibilidad y el rango dinámico necesarios para resolver problemas que solo los costosos dispositivos importados pueden hacer. Gama dinámica El rango dinámico de cualquier dispositivo receptor activo se estima mediante algún parámetro predeterminado que caracteriza las diversas distorsiones que ocurren en este dispositivo cuando una señal de RF lo atraviesa. En otras palabras, esta es la diferencia entre los niveles de señal máximo y mínimo en los que aún no se observa distorsión. La razón de estas distorsiones es la no linealidad del camino amplificador del dispositivo en cuestión. Existen diferentes tipos de no linealidad, por lo que se utilizan diferentes características para estimar el rango dinámico. Las características más importantes son el rango dinámico lineal y el rango dinámico IMD de tercer orden en el punto IP3 (Fig. 3). Al considerar ambos, uno no puede prescindir del uso de dicho concepto como una característica de amplitud, por la cual se puede juzgar el grado de distorsión no lineal.
La característica de amplitud generalizada (ACH) del dispositivo bajo consideración se presenta en una escala logarítmica doble en la Fig. 1 (curva 1). Se considera que la señal mínima detectable es 3 dB superior al ruido del propio dispositivo. Por lo tanto, se considera que el comienzo de la sección lineal de la característica desde abajo es un punto en el AX, correspondiente a un exceso de 3 dB de su propio ruido en la salida, y la entrada mínima correspondiente Pen.min y salida Rsalida mínima poder. El límite superior de la sección lineal del AX es el punto en el que la característica real se desvía de la ideal (lineal) en 1 dB. Este punto corresponde a la entrada Р1dBv y salida R1dBout poder de saturación (punto de compresión). La diferencia (en decibelios) entre la potencia de entrada de saturación y la potencia de señal de entrada mínima determina el rango dinámico lineal. Como se sabe, el efecto de cualquier señal cambiante en un elemento no lineal es el enriquecimiento de su espectro: aparecen armónicos y componentes de frecuencia combinados. Cuando se estudia el espectro de señales, muchos problemas son causados por frecuencias combinadas de órdenes impares que caen directamente en la banda de la señal bajo estudio. Los componentes combinacionales de tercer orden más peligrosos, a saber, los componentes en las frecuencias 2f1-f2 y 2f2-f1, donde f1 y f2 son los dos componentes espectrales más significativos de la señal de entrada (por ejemplo, portadora y lateral, primer y segundo armónico , señal e interferencia fuerte, etc.). Consideremos el efecto dañino de los componentes combinacionales de tercer orden en un ejemplo típico, en relación con el problema en consideración: medir el nivel de oscilaciones laterales del transmisor. En la fig. 2 muestra las distorsiones combinatorias del espectro de la señal a la salida del transmisor.
En el caso de que la relación del nivel del segundo armónico y los armónicos superiores al primero sea lo suficientemente pequeña, existe el peligro de ir más allá del límite de la sección lineal de la amplitud característica de la ruta de amplificación del analizador, ya que tratando de ver señales débiles de armónicos más altos, aumentamos excesivamente (en relación con un primer armónico fuerte) la ganancia del dispositivo. Luego, como resultado de la influencia de una señal poliarmónica (que contiene dos o más componentes espectrales) en la ruta no lineal, surgen componentes espectrales combinacionales, dos de los cuales (en el caso más simple, teniendo en cuenta solo los componentes combinacionales del primero y segundos armónicos, y despreciando el resto) en las frecuencias 2f1-f2 y 2f2-f1 caen directamente en la banda operativa de la señal en estudio. Cabe señalar aquí que los componentes de combinación de tercer orden no surgen con ningún tipo de no linealidad (no surgen con no linealidad cuadrática). En la fig. 2, estas frecuencias combinadas están resaltadas en negrita. Se puede observar que la componente 2f2-f1 cae en la frecuencia del tercer armónico y distorsiona su verdadero valor. Como resultado, el observador llega a conclusiones erróneas sobre el espectro de la señal. Es conveniente determinar el valor del rango dinámico a partir de distorsiones combinacionales de tercer orden utilizando la curva 2 de la Fig. 1, que muestra la dependencia del nivel de datos de los componentes combinacionales en el nivel de la señal de entrada. Las extensiones de las partes lineales de las características de tono de tercer orden y frecuencia combinada se cruzan en un punto denominado punto de potencia característico (o punto de compresión) de la distorsión de tercer orden IP3. Corresponde a la entrada (PIP3in) y salida (Ðsalida IP3.) potencias características de distorsión de tercer orden. El rango dinámico para distorsiones combinacionales de tercer orden (por el punto IP3) se define como la diferencia entre la potencia de entrada correspondiente a la ausencia de distorsión y la potencia de la señal de entrada mínima. Cuanto mayor sea el punto IP3, mayor será el rango dinámico, respectivamente. De lo anterior se deduce que el rango dinámico se puede determinar de acuerdo con diferentes criterios. En la práctica, esto es exactamente lo que se hace, y luego, de acuerdo con los resultados, se toma el peor valor como el valor del rango dinámico. ¡Dale sensibilidad! Para aumentar la sensibilidad de los altavoces, es decir, para brindar la capacidad de procesar señales de bajo nivel sin ingresar al dispositivo, basta con colocar un preamplificador frente a su entrada. Inmediatamente surgen una serie de preguntas. La primera pregunta es qué amplificador usar, cuáles deberían ser sus parámetros principales: ganancia (en lo sucesivo, simplemente ganancia), figura de ruido y rango dinámico. La segunda pregunta, no menos importante, es cómo la inclusión de un preamplificador en la entrada de CA afecta el funcionamiento de todo el circuito. Intentaremos responder a estas preguntas para que pueda elegir el amplificador adecuado para su aplicación. Cuando utilice preamplificadores, recuerde siempre que el nivel de señal máximo en la entrada del preamplificador no debe exceder el nivel de señal máximo permitido en la entrada del analizador de espectro, menos la ganancia del preamplificador. Para simplificar la explicación, utilizaremos un ejemplo específico. Suponga que nuestro analizador de espectro tiene una figura de ruido de -30dB y un punto de distorsión combinacional IP3 de +10dBm. Veamos cómo los diferentes tipos de preamplificadores afectan las características del circuito de medición. La figura 3 muestra el esquema de conexión del preamplificador al analizador.
Digamos que la ganancia del preamplificador es de 20dB, la cifra de ruido es de 6dB y el punto IP3 es de +15dBm. Es necesario determinar la figura de ruido y el rango dinámico del circuito que se muestra en la Figura 3. Para calcular la figura de ruido del circuito en la Fig. 3, usamos la fórmula para dispositivos en cascada: Ø = Ø1+(Ø2-1)/ø1 +(Øø-1)/ø1ø2, (1) donde:
El factor de ruido (en tiempos) está relacionado con el factor de ruido en decibelios de la siguiente manera: norte = 10log(f) Figura de ruido (en tiempos) para el circuito de la Fig. 3, calculada por la fórmula (1). es igual a 13,99. De hecho: W = 4+ 1000 -1/100 = 13,99 Expresemos esta cifra de ruido en decibeles: 10log(13.99) = 11,5 dB. Así, conectar un preamplificador nos permitió reducir la figura de ruido del analizador de espectro en 18,5 dB, que, de hecho, era lo que intentábamos conseguir. Ahora veamos cómo afectará el preamplificador al punto IP3. La Tabla 1 muestra la relación entre el punto IP3 del preamplificador y la reducción del valor del punto IP3 para el circuito de la Fig. 3. Los datos de la Tabla 1 corresponden al peor de los casos, cuando el nivel de los componentes combinacionales del propio analizador es máximo. La columna izquierda de la tabla indica el exceso del punto IP3 del preamplificador sobre el punto IP3 del analizador.
Tabla 1
En nuestro ejemplo: Preamplificador IP3 +15dBm y Analizador de Espectro IP3 -+10dBm, la diferencia es de 5dB. Los valores más cercanos de la diferencia en la tabla. 1-6dB y 3dB. La reducción de IP3 es de 3,5dB y 4,6dB respectivamente. En nuestro caso, la caída de IP3 calculada por interpolación lineal entre estos valores es de 3,9 dB. Es decir, el punto IP3 del circuito de la Fig. 3 corresponderá a +6,1 dBm. Esto significa que en la entrada del preamplificador, el punto IP3 será 20 dB más bajo, lo que corresponde a -13,9 dBm. Entonces, al agregar un preamplificador, hemos mejorado la capacidad del analizador de espectro para procesar señales de bajo nivel y degradado su rendimiento en la región de señal grande. Esto no es sorprendente, ya que con la conexión del preamplificador, se agregó al circuito de medición un dispositivo no lineal más con un rango dinámico lejos del infinito. La Tabla 1 muestra que cuanto mayor es el exceso de IP3 del preamplificador sobre el IP3 del analizador, menor es la caída del IP3 de todo el circuito. Por ejemplo, para un valor de diferencia de 20 dB, la caída de IP3 es de solo 0,8 dB. Así, es más preferible el uso de un preamplificador con un rango dinámico mucho mayor que el rango dinámico del analizador de espectro, ya que permite evitar casi por completo la reducción del rango dinámico de todo el circuito de medida. En algunos casos, para lograr una buena ganancia, se hace necesario conectar varios preamplificadores en serie. Considere lo que sucede cuando conecta en cascada dos preamplificadores antes de un analizador de espectro. Analicemos el circuito que se muestra en la Fig.4.
Ambos preamplificadores tienen las mismas características que se muestran en la Fig. 4. La ganancia total de los preamplificadores es de 40dB (10000 veces). La figura de ruido total es:
Ahora calculemos la disminución de IP3. Ambos amplificadores tienen el mismo valor IP3 de +30 dBm. Según Tabla. 1, con una diferencia de 0 dB, la reducción de IP3 a la salida del preamplificador 2 es de 6 dB. Así, IP3 a la salida del preamplificador 2 es igual a
Esto es 14 dB más que el valor IP3 del analizador de espectro. De nuevo, mira la tabla. 1 y obtener por interpolación entre los valores más próximos: -2,4 dB para 10 dB y -1,4 dB para 15 dB, el valor de -1,6 dB. Cálculo del valor IP3 para el analizador
Hallazgos. Por lo tanto, la sensibilidad del analizador cuando se usa un preamplificador mejora, y el rango dinámico generalmente se deteriora, y cuanto menos exceda el rango dinámico del preamplificador al rango dinámico del propio analizador, más fuerte es. Los preamplificadores se pueden utilizar para analizar señales débiles. Debe evitarse el uso de preamplificadores cuando se analizan señales fuertes, así como cuando se analizan señales débiles en presencia de ruido fuerte. ¡Dale rango dinámico! Como se mencionó anteriormente, el peligro de ir más allá del rango dinámico es mayor cuando se evalúa el nivel del segundo o tercer armónico de la señal del transmisor, es decir cuando el primer armónico es una fuerte interferencia, dando lugar a la aparición de componentes de combinación con el armónico en estudio. Consideremos cómo se puede eliminar este desagradable fenómeno y se puede medir el nivel armónico. Este problema se puede resolver utilizando un filtro de muesca en la entrada del analizador de espectro, que suprime la portadora mientras el segundo o tercer armónico ingresa a la banda de paso. En realidad, no se amplía el rango dinámico del analizador, sino que se reduce la diferencia entre las señales de entrada observadas. Es importante recordar que no se debe exceder el nivel de señal de entrada máximo especificado para el analizador de espectro. El nivel de entrada máximo indicado no debe confundirse con el punto de compresión de 1dB o el punto IP3. El nivel de señal de entrada máximo permitido es el nivel en el que el atenuador de entrada o el mezclador se mantienen dentro de los límites de funcionamiento aceptables. El punto IP3 suele ser de 10 a 15 dB más alto que el punto de compresión de 1 dB. Considere el circuito en Fig.5.
El atenuador se usa para limitar la salida del transmisor a un nivel seguro para que el analizador funcione. Suponga que el nivel de entrada máximo del analizador es de +30 dBm, el punto de compresión de 1 dB es de 0 dBm y la potencia de salida del transmisor es de 100 W (50 dBm). Si la atenuación en el atenuador instalado entre el transmisor y el analizador de espectro es de 20 dB, entonces el nivel de la señal en la entrada del analizador es igual al máximo permitido. Es mejor utilizar un atenuador de 30 dB, que nos dará 10 dB de headroom. Suponga que el rango dinámico del analizador de espectro es de 70 dB. Esto significa que podemos medir los niveles de dos señales si la diferencia entre ellas no supera los 70 dB. Además, el nivel de la señal más grande debe estar unos decibelios por debajo del punto de compresión de 1 dB o del punto IP3 del analizador. Consideremos un ejemplo cuando necesitamos medir los niveles del segundo armónico y más alto de la señal en estudio con respecto a la portadora. Suponga que el nivel del segundo armónico está 80 dB por debajo del nivel de la portadora. El rango dinámico del analizador es de 70 dB, por lo tanto, los armónicos de la señal estudiada se verán distorsionados por componentes de combinación de órdenes impares. Para sortear esta dificultad, instalamos un filtro entre el atenuador y el analizador para bajar el nivel de la portadora e introducir pérdidas mínimas en el segundo armónico. Para que nuestras mediciones sean precisas, necesitamos conocer las pérdidas causadas por el filtro de muesca en la frecuencia del segundo armónico. Puede ser un resonador o un filtro LC, este último es bastante pequeño y conveniente en comparación con los filtros resonadores convencionales. Como regla general, 20...30 dB de supresión de portadora es suficiente, por lo que no es difícil hacer y ajustar un filtro LC compacto. En primer lugar, determinamos las pérdidas en el filtro, para ello se sintoniza el generador de señal y el analizador de espectro a la frecuencia portadora. Luego, de acuerdo con las lecturas del analizador, el filtro se ajusta a la máxima supresión de portadores. A continuación, el generador de señales se sintoniza a la frecuencia del segundo armónico y el nivel de la señal se establece en 0 dBm. De acuerdo con las lecturas del analizador, determinamos las pérdidas en el filtro. Por ejemplo, si el analizador es de -3 dBm, entonces la pérdida del filtro es de 3 dB. Ahora determinamos el valor del segundo armónico. Montamos la instalación que se muestra en la Fig.6.
Ponemos un filtro de muesca y lo configuramos en la máxima supresión de portadora. Ahora, al aumentar la sensibilidad del analizador de espectro, al aumentar la ganancia del amplificador de entrada, determinamos el nivel del segundo armónico de la señal. Suponga que el nivel del segundo armónico es de -60 dBm y la pérdida del filtro a esta frecuencia es de 3 dB. Por lo tanto, el verdadero nivel del segundo armónico es -60 dBm - (-3 dBm) = -57 dBm. Dado que el nivel de la portadora es de +20 dBm, el nivel del segundo armónico está 77 dB por debajo del nivel de la portadora. La precisión de dichas medidas depende de muchos factores, por ejemplo, de las pérdidas en los cables de conexión, etc. A potencias elevadas, parte de la potencia puede perderse. Por lo tanto, recomendamos utilizar cables de conexión bien blindados para las mediciones y colocar el transmisor lejos del analizador. Usando este enfoque, se pueden lograr resultados de medición muy precisos. Hallazgos. El uso de filtros de muesca permite investigar los espectros de señales que no encajan en el rango dinámico del analizador de espectro o señales en presencia de fuertes interferencias, provocando la aparición de componentes de combinación en la banda de la señal en estudio. En este caso, la precisión de las medidas está determinada en gran medida por los parámetros de estos filtros. Autor: G. Melnikov, Moscú; Publicación: radioradar.net
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