Экспериментальное сравнение измерений разных импедансов на разных частотах прибором SARK-110 и профессиональным анализатором цепей.
Набор разных нагрузок (описаны в соответствующих измерениях ниже), собственно SARK-110 и профессиональный анализатор цепей Agilent E5061A с не истекшим сроком поверки:
Использовались соединительные кабели равной длины около 7 cm (MCX > SMA в SARK-110 и N > SMA в Agilent E5061A). В обоих приборах была сделана OSL калибровка на концах этих кабелей.
Для изменения импеданса надо отдельно измерить амплитуду и фазу напряжения и тока на нагрузке. Точность измерения импеданса максимальна, когда сигналы и тока, и напряжения велики, т.е. когда модуль импеданса около 50... 100 Ом. Если же один из сигналов тока или напряжения мал (т.е. импеданс очень низкий – мал сигнал напряжения, или очень высокий – мал сигнал тока), то точность падает. И чем ближе к нулю малый сигнал, тем сильнее падает (абсолютная погрешность не меняется, но уменьшается измеряемая величина, поэтому соответственно растет относительная погрешность). Наибольшая погрешность возникает при измерении высоких импедансов, т.к. малый сигнал тока стоит в знаменателе и даже небольшие погрешности в его измерении приводят к сильному изменению дроби (т.е. результирующего импеданса).
Тестовая нагрузка 1: SMD резистор 5,1 Ом, запаянный прямо на разъем:
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 1:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 5,18+J0,094 | 5,22+J0,024 | 5,22+J0,102 | 5,21+J0,188 | 5,18+J0,335 | 5,12+J0,605 | 5,01+J0,798 | 5,13+J1,02 | 4,92+J1,49 |
| E5061A | 5,15+J0,108 | 5,17+J0,155 | 5,18+J0,286 | 5,18+J0,425 | 5,18+J0,720 | 5,17+J1,35 | 5,16+J1,99 | 5,08+J2,61 | 5,06+J2,98 |
Сколь-нибудь заметное расхождение получается на частотах выше 150 MHz: E5061A дает чуть более высокие (~ на 1 Ом) значения +JX.
Тестовая нагрузка 2: резистор 10 Ом с короткими выводами, вставленный прямо на разъем. Фото, увы, нет, представьте сами.
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 2:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 10,2-J0,16 | 10,0+J0,54 | 10,3+J0,59 | 10,3+J0,97 | 10,3+J1,77 | 10,2+J3,66 | 10,3+J5,45 | 10,5+J7,73 | 9,60+J9,33 |
| E5061A | 10,0+J0,18 | 10,1+J0,64 | 10,1+J1,04 | 10,1+J1,32 | 10,1+J2,16 | 10,1+J4,37 | 10,0+J6,51 | 10,0+J8,55 | 10,0+J10,12 |
Видим примерно ту же картину, что и на первой нагрузке: на частотах выше 100 MHz E5061A дает ~ на 1 Ом больше JX. Тут кто прав неясно: индуктивности выводов резистора мы не знаем.
Тестовая нагрузка 3: промышленная dummy load 50 Ом:
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 3:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 50,1-J0,21 | 50,1-J0,19 | 50,1-J0,24 | 50,2-J0,16 | 50,2-J0,13 | 50,3-J0,04 | 50,3+J0,07 | 50,3+J0,16 | 50,2+J0,24 |
| E5061A | 49,0+J1,01 | 49,4+J0,19 | 49,4+J0,31 | 49,5+J0,51 | 49,4+J0,77 | 49,1+J1,28 | 48,3+J1,66 | 48,2+J1,66 | 47,9+J1,62 |
Уже знакомая картина, выше 100 MHz E5061A лишние 1... 1,5 Ома в JX. Тут уже никаких сомнений нет: это погрешность E5061A. Ведь используемая фирменная dummy load имеет низкий КСВ аж до 6 GHz. Поэтому иметь реактивность +JX = 1 ... 1,5 Ома на 100 ... 200 MHz она не может ни при какой погоде. Более того, для OSL калибровки использовалась эта же нагрузка, поэтому она просто обязана давать близкую к нулю реактивность (мы же ее как образец записали).
Следовательно, наблюдаемые на E5061A лишние +1... +1,5 Ома в JX на частотах от 100 до 230 MHz, это его погрешность, причем скорее всего погрешность QSL калибровки. Она может быть вызвана тем, что E5061A работает от 0,3 до 1500 MHz и в этой же полосе делает QSL-калибровку. Поэтому на участок 0,3 ...230 MHz приходится не так много точек калибровки, а между ними погрешность нарастает.
Вывод: в пределах своей полосы SARK-110 измерил dummy load точнее, чем E5061A. Не могу утверждать наверняка, но очень похоже, что та же погрешность E5061A проявилась и в первых двух измерениях, и что и в них SARK-110 тоже оказался точнее.
Тестовая нагрузка 4: SMD резистор 100 Ом, запаянный прямо на разъем:
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 4:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 102,4-J0,21 | 102,3-J0,21 | 102,3-J0,23 | 102,3-J0,26 | 102,6-J0,27 | 103,0-J0,25 | 103,3-J0,11 | 103,0-J0,03 | 103,1-J0,57 |
| E5061A | 99,9+J0,43 | 101,0+J0,77 | 101,1+J1,20 | 101,5+J1,63 | 101,5+J2,13 | 101,26+J2,92 | 100,5+J2,60 | 99,5+J1,48 | 98,7+J0,40 |
Уже знакомая картина: по R показания обоих приборов близки, а по JX у E5061A на высокой частоте получается больше на +1... +2,5 Ома.
Тестовая нагрузка 5: SMD резистор 200 Ом, запаянный прямо на разъем:
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 5:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 205,3-J0,15 | 204,9-J0,02 | 204,9-J0,1 | 204,9+J0,05 | 205,7+J0,08 | 207,3+J0,69 | 207,7+J1,44 | 206,4+J2,55 | 206,6+J0,37 |
| E5061A | 200,0+J1,23 | 203,5+J1,21 | 204,4+J2,8 | 205,6+J3,23 | 206,5+J4,01 | 206,7+J5,00 | 205,8+J4,21 | 204,5+J1,50 | 202,6-J1,57 |
То же, что и на предыдущих нагрузках: R хорошо совпадают, а по JX E5061A дает более широкий диапазон изменения в полосе (от +5 Ом до -1,57 Ом, т.е. 6,57 Ом; SARK-110 дает от +2,55 Ом до -0,15 Ом, т.е. 2,7 Ома).
Здесь опять неясно кто прав. Хотя при таком конструктиве и резисторе 100 Ом измеренные E5061A +JX = 5 Ом на 100 MHZ вызывают у меня крайние сомнения. Как и изменение реактивности на 6,57 Ома при повышении частоты от 100 до 230 MHz. Однако не могу обосновать эти сомнения ничем, кроме опыта работы и применения SMD деталей на сотнях мегагерц.
Тестовая нагрузка 6: пять SMD резисторов 1 кОм, запаянных в параллель прямо на разъем:
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 6:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 204,7-J0,41 | 204,6-J0,86 | 204,5-J1,61 | 204,6-J2,17 | 205,3-J3,64 | 206,6-J6,63 | 206,6-J9,10 | 204,9-J12,6 | 206,3-J16,1 |
| E5061A | 199,5+J1,25 | 202,9+J1,32 | 203,4+J2,1 | 205,3+J2,08 | 206,3+J1,14 | 206,8-J2,85 | 205,7-J6,49 | 202,3-J11,85 | 200,0-J18,5 |
Пять резисторов в параллель, конечно уменьшили впятеро паразитную индуктивность. Но зато настолько же увеличили паразитную емкость. Поэтому данная нагрузка имеет заметную емкостную реактивность, особенно на высоких частотах.
Активную часть импеданса оба прибора (как мы уже привыкли) показывают практически одинаково. И столь же привычно расхождение по реактивности выше 50 MHz. Судить кто ближе к истине не могу: нагрузка сложная.
Тестовая нагрузка 7: резистор 510 Ом с длинными выводами:
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 7:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 521-J3,27 | 520-J13,1 | 519-J25,60 | 517-J38,86 | 515-J63,4 | 496-J119,3 | 462-J162,8 | 415-J196,7 | 398-J232 |
| E5061A | 511+J1,51 | 530-J10,32 | 538-J20,42 | 548-J30,68 | 556-J57,7 | 554-J94,2 | 511-J162,3 | 431-J228,6 | 367-J249 |
Активная часть у обоих приборов снова близка, хотя разброс уже нарастает (мы помним, о проблемах измерения малых токов и связанной с этим нарастающей погрешности). JX тоже относительно близки.
Тестовая нагрузка 8: резистор 51 Ом с длинными выводами и последовательно с им включены 6 конденсаторов 3300 пФ с длинными выводами каждый. Внешний вид этой нагрузки получился настолько ужасен (множество длинных выводов, торчащих во все стороны), что его фото не украсит никакую страницу. Даже эту.
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 8:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 49,6-J279 | 52,2-J18,9 | 51,5+J8,45 | 50,6+J24,5 | 49,2+J49,1 | 47,9+J105 | 42,0+J164 | 33,1+J212 | 43,7+J239 |
| E5061A | 59,5-J260 | 51,6-J16,0 | 51,1+J8,85 | 50,5+J24,9 | 49,9+J50,7 | 41,8+J107 | 33,0+J163 | 31,3+J238 | 50,6+J324 |
Из-за очень длинных выводов резонансная частота этой нагрузки получается около 17 MHz. Резонанс последовательный, т.к. конденсатор и индуктивность (паразитных выводов) включены последовательно. Ниже 17 MHz JX емкостная, выше – индуктивная. Показания обоих приборов достаточно близки.
Тестовая нагрузка 9: резистор 30 Ом с длинными выводами, последовательно включена катушка 1,6 uH:
Измерения SARK-110 во всей полосе от 0,1 до 230 MHz:
Сравнительная таблица на тестовой нагрузке 9:
| F | 1 MHz | 10 MHz | 20 MHz | 30 MHz | 50 MHz | 100 MHz | 150 MHz | 200 MHz | 230 MHz |
| SARK-110 | 40,7+J11,0 | 37,2+J105,6 | 37,1+J209 | 41,4+J333 | 53,3+J626 | 502+J3137 | 663-J2369 | 272-J913 | 105,5-J657 |
| E5061A | 32,3+J11,0 | 31,2+J101,5 | 25,4+J204 | 11,4+J310 | 37,7+J527 | -577+J1379 | -2775-J2132 | -1114-J882 | 69,6-J519 |
Эта нагрузка – самый трудный случай для измерения. Индуктивность катушки вместе с межвитковой емкостью образует параллельный колебательный контур. На резонансной частоте этого контура R нагрузки достигает нескольких килоом. Реактивное JX тоже дотягивает до нескольких килоом (как в плюс, так и минус) около резонансной частоты. Собственно, это мы и видим на графиках измерений SARK-110: резонанс системы на 120 MHz (пик R и ноль JX).
Посмотрим теперь на сравнительную таблицу. От 1 до 20 MHz показания приборов более-менее совпадают как между собой, так и с реальностью: активная часть около 30 Ом, реактивная растет с частотой как 2π•F•L.
На 30 MHz показания E5061A зашатались: JX он показывает относительно правильно, а вот R = 11,4 Ом не может быть никогда, т.к. там стоит последовательный резистор 30 Ом, и измеренное R может быть только больше его на величину, даваемую контуром (т. е. резонансом катушки). Поэтому показания 11,4 Ома – это ошибка почти втрое.
В широкой области вокруг резонанса (от 50 до 200 MHz) E5061 откровенно сходит с ума, давая отрицательные значения R (чего, понятно, в пассивной цепи не может быть никогда). И только на 230 MHz импеданс понижается настолько, что данные с E5061A снова становятся похожими на правду. Вывод: с высокими (в несколько килоом) импедансами профессиональный E5061A не справляется.
SARK-110 в тех же условиях ведет себя значительно более вменяемо: и на 30 MHz не проваливает R, и на частотах от 50 до 200 MHz никаких "открытий" (вроде от R < 0) не совершает. Графики R(f) и JX(f), даваемые SARK-110 в данном случае, близки к теоретически ожидаемым.
В пределах своей частотной полосы и в диапазоне импедансов от единиц до тысяч ом SARK-110 по точности измерений сопоставим с профессиональным анализатором цепей Agilent E5061A. А в ряде случаев (см. тестовые нагрузки 3 и 9) даже превосходит его.
Bonn 11.05.2014