Направленность, или directivity, показывает, насколько направленный ответвитель различает нужное и противоположное направления волны. Она выражается в дБ и особенно важна при измерении слабого отражения на фоне сильного падающего сигнала. Большая направленность уменьшает одну из ошибок, но не гарантирует точность всей измерительной системы.
Сначала определить порты
Назовём вход основной линии портом 1, проход портом 2, нужный ответвлённый выход портом 3 и изолированный портом 4. Нумерация на изделии может отличаться: используйте его схему.
Все неиспользуемые порты должны иметь предусмотренные согласованные нагрузки. Изоляция и направленность зависят от этих условий, поэтому измерение с открытым соседним портом не соответствует обычной спецификации.
Коэффициент связи, изоляция и направленность
При одинаковых вещественных опорных импедансах и согласованном испытании определим положительные величины: C = −20 log10|S31| и I = −20 log10|S41|. Тогда D = I − C.
Если C = 20 дБ и I = 50 дБ, D = 30 дБ. Изоляция 50 дБ не является направленностью 50 дБ. В некоторых документах определения привязаны к обратной передаче и другим опорным плоскостям: проверяйте схему, учёт потерь и принятую конвенцию.
Для отражательной измерительной цепи полезно оценивать эффективную направленность именно в её подключённом состоянии, включая нагрузки и адаптеры.
Почему малая отражённая мощность измеряется трудно
Слабый полезный сигнал складывается с утечкой ненужного направления как комплексные амплитуды. Поэтому ошибка может быть как положительной, так и отрицательной; нельзя просто вычесть мощность утечки из любого измерения.
Нормированный по связи уровень паразитной амплитуды имеет порядок 10−D/20. При D = 30 дБ это около 0,0316, при 40 дБ — 0,01.
Пример погрешности обратных потерь
Пусть истинные обратные потери нагрузки 20 дБ, то есть |Γ| = 0,1. При паразитной амплитуде 0,0316 упрощённые крайние случаи сложения дают |Γmeas| от 0,0684 до 0,1316.
Это соответствует показанию обратных потерь примерно от 23,3 до 17,6 дБ. Пример показывает влияние фазы утечки; он не включает все ошибки калибровки, согласования источника и детектора и не является гарантированным диапазоном любого прибора.
При измерении очень хорошей нагрузки приближение к пределу направленности требует особого внимания. Отрицательное заключение о нагрузке по одному малому сигналу может быть ошибочным.
Как связаны возвратные потери и КСВН
Возвратные потери RL = −20 log10|Γ|, а КСВН = (1 + |Γ|)/(1 − |Γ|). Для RL = 20 дБ получается КСВН примерно 1,22. Погрешность Γ переходит и в вычисленный КСВН.
Указанные выражения используют амплитудный коэффициент отражения. Отношение отражённой и падающей мощностей в подходящих условиях равно |Γ|², а не |Γ|.
Что проверять при выборе и измерении
| Параметр | Уточнение |
|---|---|
| Направленность | Минимум по нужной полосе, не только пиковое значение. |
| Связь | Уровень сигнала на датчике и частотная зависимость. |
| Согласование | Все порты и используемые нагрузки. |
| Мощность | Основная линия и отвод с учётом режима. |
| Измерение | Калибровка, динамический диапазон и повторяемость. |
Измеренное значение изоляции на уровне шума означает ограничение измерения, а не доказанную бесконечную направленность. Повторяйте испытание по согласованной процедуре и фиксируйте границы достоверности.
Основы описаны в Microwaves101 о направленных ответвителях; определение КСВН помогает связать измеряемые величины.
