البارامترات في سياق نمذجة الأجهزة غيرلينية ومحاكاتها

أساسيات خط S-Parameter

أما البارامترات المبعثرة، المعروفة عالميا باسم S--parameters، فهي اللينغوا فرنك هندسة عالية التردد، وهي تدور في نظرية خطوط النقل الموجية، وتوفر هذه البارامترات وصفا كاملا للكيفية التي تتصرف بها شبكة خطية في ظل بيئة اختبارية محددة، أو ما يعادل 50 نقطة مئوية، وبالنسبة لجهاز قياس متنقل، والقيم الأربعة المعقدة S11 و S21 و S12 و S12، والمرفقات

ويرتكز الأساس النظري لمقاييس خطية مفصَّلة على مبدأ التحلل: الاستجابة الكاملة لنظام متغير زمني لتعدد المحركات، على أساس مجموع ردودها على كل من المحفزات على حدة، وما دامت الأداة قيد الاختبار ملتقى متسلسلاً، فهو تكرار موسع ومتطور لمصفوفة قياسات المقياس.

وفي تدفق تصميم خطي، تكون المسافات المائلة نقطة انطلاق لكل شيء من أجهزة الاستنشاق ذات التردد المنخفض إلى أجهزة مقاصة ضيقة النطاق، أما الرياضيات فهي واضحة: فبالنسبة لشبكة النقل غير المزودة بموجات، فإن الموجة التي تُظهرها الملوحة في المرفأ (B) متصلة بمقياس " S " ، وهي مصممة على أساس التردد، وتعطيات غير واضحة للعلامات.

حدود أجهزة قياس خطية من أجل أجهزة غير خطية

ويظهر السلوك غير الخطي كلما لم يعد حجم الناتج يتتبع المدخلات بشكل متناسب، وفي مضخم القوى، فإن هذا يظهر كضغط على المكسب، وتوليد الوئام، وتشويه الاختلال في استخدام الطاقة، وتعمد المكسيرين استغلال عدم التكرار في تحويل الترددات، بل إن عوامل الاختلال القائمة على أساس الكتف، واستجابات الديموغرافيين ذات المستوى المعتمد على الطاقة، وأجهزة التحكم في الإنتاج.

ويفترض الإطار التقليدي لمقياس S---exparameter التسلسلي والوقت المتاح، وعندما تُثبت هذه الافتراضات، فإن التحلل السطحي؛ وعندما لا يفي سلوك الجهاز بمستوى القوة المطلقة، والتحيز الذي تمارسه البلدان النامية، وأحياناً ما يُستخدم المظاريف المتحركة، ويكون قياس المقياس المسمى S-----20 من قدرة تصميم المقاييس غير مجدية في التنبؤ بالأداء عند +10 د-م.

ومع ذلك، فإن المواصفات S----parameters لا غنى عنها في مجموعة أدوات النموذج غير الخطي، والمفتاح هو معرفة ما هو متغير مفهوم S--parameter الذي يستخدم في تصميمات ذات طابع شبه مسمى أو كبير أو متعدد الصيدليات، وكيفية الجمع بين اللبنات الخيطية وغير الخطية في محاكاة هجينة، وكل تدفق حديث لتصميمات الترددات المتوسطة يدمج فيها نماذج متداخلة (التكدسة)

S-Signal S-Parameters: Linearization Around a Quiescent Point

وأهم طريقة لتطبيق أجهزة المقاييس على جهاز غير خطي هي أن تصطفه حول نقطة تشغيل ثابتة في العاصمة وحافز صغير جداً في إطار نموذج الإبلاغ الموحد، مما يؤدي إلى وجود مقاييس تقليدية صغيرة جداً، وتقاس أو محاكاة بتحيز المترجم في المصفوفة الحالية والفولطية المقصودة، ثم تُثيره بمستوى منخفض من الطاقة يقل عن 10 آثار غير قابلة للتصوير.

وتشكل أجهزة S-LANAL S-A-PANT الأساس لتصميم شبكة المطابقة الأولية، وفي تدفق نموذجي للكميات، يبدأ المهندس بفحص S11 وS22 لتقييم الاستقرار (استخدام معامل استقرار رولت ك وDiret) ثم تصميم شبكات مضاهاة للنواتج تحول 50 دقيقة استقرار إلى المصدر الأمثل ومعاملات التأمل في شكل مكسب أو ضوضاء.

فعندما تُجمع شبكات المطابقة، فإن التصميم ينتقل إلى نموذج غير خطي كامل - مثل نموذج مترجم مدمج )أنجيلوف، كورتيس، بيسيمسو، أو فيناياك( أو إلى مجموعة غير مثبتة - للتحقق من الأداء الكبير، بما في ذلك القدرة على الإنتاج، والكفاءة، والسلوك غير المقبول في مجال التنقيب عن المواد الصغيرة.

وهناك مفارقة أخرى: لا تكون المسافات الصغيرة غير المتحركة صالحة إلا عند نقطة التحيز التي قُيست فيها، وإذا تغيرت تحيزات المضخم مع قوة المدخلات - التي كثيرا ما تنجم عنها آثار تصحيحية في المترجم غير الخطي - عندما تصبح البيانات الصغيرة المتحركة في التحيز الاسمي غير دقيقة بشكل متزايد، وهذا هو السبب في أن القياسات الكبيرة الحجمية ضرورية لمراحل القوة.

Large —Signal S -Parameters and Hot S -Parameters

ولتضييق الفجوة بين مقاييس خطية ونماذج غير خطية كاملة، فإن مفهوم المقاييس ذات النطاق الترددي الكبير - التي كثيرا ما تسمى " المقاييس الهوائية " - قد تطور، وفي هذا النهج، يُستمد الجهاز من مقياس قياسي واحد مجهز بالمقياس من الترددات الأساسية، ويقاس المقياس المتناظر والموجات المجسدة ليس فقط عند المستوى الأساسي بل أيضا عند النسق الضار.

ولا تعتبر البارامترات ذات النطاق الترددي الكبير بارامترات متوازية تماماً؛ وكثيراً ما تقدم في شكل مماثل للمصفوفة الكلاسيكية ولكنها تشكل وظائف للقوى الحادثة في الأساس، ويمكن استخدامها في تصور كيف تتطابق المدخلات مع التغيرات في مستوى المحرك لتصميم مراحل الطاقة حيث يمكن أن تختلف درجة الإقحام الكبير عن القيمة الصغيرة للعلامات، مثلاً، يمكن أن يكون لغير ذي قيمة ضئيلة تبلغ ٥.

كما توفر أجهزة التكتل المتحركة بيانات أساسية لتحليل كميات الحمولة، حيث تجمع نظم الحمولة الحديثة بين جهاز تناغم (سواء أو نشط) مع نظام NVNA لتكسير الامتصاص مع تسجيل كميات كبيرة من الموجات، وتُستخدم في تحديد مواقع الإنتاج الثابتة، والمكاسب، والكفاءة، والمقاييس (كفاءة الاستخدام المكثفة)

X —Parameters and Polyharmonic Distortion Modeling

إن أكثر الطرق صرامة في العالم غير الخطي هو الشكلية الاكسية التي أدخلتها شركة كيسار (المعروفة سابقاً) واستناداً إلى نموذج التشويه البوليفي الدوائي (PHD) الذي يُستخدم في التصويب غير الخطي، كما أن المقاييس الفوقية تلتقط السلوك غير الخطي الكامل بوصف الموجات المتناثرة في كل موقع من مواقع الوئام كوظيفة من الموجات المهيمنة على جميع المنسوّهة.

وتقاس المقاييس الفوقية بالرقم القياسي للقيمة الفوقية باستخدام تركيبة تُطبق على نبرة " دفع " كبيرة، وتحقن في الوقت نفسه نبرة اضطرابات صغيرة في كل متجانس، وتُستخدم في قياس الاستجابة المعقدة لجميع المقاييس الهامة، ويستخرج النظام من الناحية الاصطناعية مجموعة من الخرائط التي تستخدمها أجهزة قياسية غير خطية.

وتشمل التطبيقات العملية لأجهزة تبادل المعلومات الفوقية الفوقية: تحفيز سلسلة من أجهزة توليد الطاقة في جهاز إرسال، والتنبؤ بـ " معدل القوة " (الوجهة الخافضة) للإشارة المتحركة، وتصميم نماذج الأشعة المسبقية الرقمية، والتحكم في التسلسل، غير أن أجهزة التحلل الحادية المغناطيسية لديها قيود:

ما بعد الحدود: نماذج التوقيت والزمالات

وفي حين أن المسافات القصيرة وأقاربهم غير الخطيين يحتلون دوراً مركزياً، فإن مجموعة أدوات محاكاة غير خطية تستخدم أيضاً نماذج غير متداخلة زمنياً (تحليل عابر) وتوازن تواتري بين المقاييس، وتقسم الدائرة إلى مقاييس فرعية غير خطية، وتصفها مقاييس غير متجانسة في المقاييس الرئيسية وجميعها

وبالنسبة إلى المحاكاة على مستوى المنظومة، فإن نماذج السلوك غير المذكورة مثل المناصفات المميزة للآليات المتعددة الأبعاد والآلية المتعددة الأبعاد كثيرا ما تستمد من قياسات المقاييس العالية المدى، كما أن المقاييس الرقمية للاختبارات المتطورة التي توفر نماذج للميزنة ذات الترددات العالية والتي تُعد أكثر دقة من سلسلة القياسات العالية.

ولا تُستثنى من منهجية التصميم القوية المُتَصَلَدَّدَة من المواصفات الصوتية عند دخولها المجال غير الخطي؛ بل تستخدمها في سياقها المناسب، حيث يمكن أن تشمل النواتج السلبية المطابقة لشبكة مضخِّمة للطاقة، ومرشِّحة المدخلات، وكلها خطية بما يكفي لتمثيلها بشكل مثالي بملفاتها الخاصة بالمواصفات الخاصة، وقد تُصاغ الأداة النشطة نفسها بنموذج غير خطي، بينما تظل مجموعة من أدوات القياسات

استراتيجيات القياس العملي والمعايرة

وترتكز البيانات الدقيقة على كل خطوة لاحقة من خطوات النموذج غير الخطي، أما بالنسبة للقياسات الصغيرة النطاق، فإن وجود خطين من طراز VNA يُحدّدان بدقة من قبيل SOLT (ShortOpenLoad —Thru) أو نوع من أنواع التكتل (ThruReflect —Line) هو معيار، ويتوقف الاختيار على مدى الترددات ومعايير أعلى من ذلك.

(ب) عند الانتقال إلى التميز الكبير وغير الخطي، تزداد تعقيدات المعايرة ارتفاعا حادا، ويتطلب نظام تقييم الاحتياجات الوطنية ثلاثة مستويات من المعايرة: معيار من معايير (تصحيحات) البرمجيات غير المعدلة حسب نوع الجنس، معيار كهربائي لتحديد مستويات القوة المطلقة، ومعيار تدريجي لمواءمة مرحلة جميع المقاييس المتصلة بالأساسية، ويجب أن تُنشأ طائرات القياس المرجعية بعناية، وأن يُعرض تحت الحمولة

(أ) أن تكون [المهندسون] يقومون عادة بإجراء قياسات صغيرة في الموقع أولاً لمسح الطفيليات المثبتة للاختبار (وتقنيات الاستخدام مثل التثبيت المفتوح للتصميم أو معايرة الترميز في الجهاز) (وإن هذه البيانات تتجه إلى عمليات مسح ذات نطاق كبير)

إدماج معايير S-M-Parameter في تدفقات العمل الحديثة المحاكاة

وفي إطار تدفق نموذجي لتصميم الطاقة في إطار الترددات المتوسطة، يمكن أن تبدو العملية كذلك: إذ يبدأ المصمم بورقة بيانات مترجمة توفر مقاييس صغيرة للشبكة وعلامات ضوئية في نقاط تحيز متعددة، ويقابل هذا الجهاز من أجل تحقيق مكاسب واستقرار صغيرة، ثم يوضع التصميم الخطي الناتج في موقع محاكاة متجانسة حيث يحل محل المتحولون.

أما بالنسبة للمرشحين، والمرشحين، والمقاطعات، فإن المواصفات S- - S--A-parameter تظل هي المجند النهائي، ويمكن الجمع بين ملف هوائي S--parameter وشبكة غير مدمجة مصممة من نظام S-parameter ونموذج غير مسمى للشبكة بحيث تحقق أقصى قدر من الطاقة المشععة.

ومن الجوانب الهامة الأخرى استخدام أجهزة القياس الصوتي لتحفيز التقارب الكهرومغناطيسي بين المكونات، فمثلاً يمكن استخلاص التقارب بين عنصرين من عناصر الهوائيين في صفيحة مرحلية من محاكاة موجات كاملة تصدر مصفوفة من طراز N -port S - / - / - S-parameter.

التحديات وأفضل الممارسات في مجال استخدام مقياس عدم الترميز

ومن أكثر المجازف شيوعاً استقراء أجهزة التكتل الصغيرة المتحركة في النظام الكبير المسمى، وقد يحفز المصمم مضخم يستخدم أجهزة الفرز ذات الترددات العالية التي تقاس بتحيز منخفض، ثم يزيد من قوة المدخلات في المحفز، ويتوقع أن يظل خط المقياس المفصل صالحاً، ونتيجة لذلك توقع حدوث تخلف في الوصلات النسيجية، والارتداد الحقيقي للتغيرات الجارية في العاصمة.

وثمة تحد آخر هو تعريف الازدواج المرجعي: فالتحليل المكون من 50 إلى 1 هو المعيار الذي تستخدمه معظم نظم الإبلاغ عن النتائج، وبعض الأجهزة (مثل أجهزة التضخيم المنخفضة الحد الأدنى من الضوضاء) التي تمثل أشكالاً متمثلة في الازدحام إلى حد بعيد عن 50 جهازاً من أجهزة القياس الرئيسية، ويمكن أن تُعاد تصنيفها من الناحية الحسابية إلى اختراق مرجعي مختلف باستخدام جهاز تحويل مصف (إعادة الشذوب)

ويضيف التبعية إلى درجة أخرى من التعقيد، وقد تتحول البارامترات التي تقاس في درجة حرارة الغرفة بما يكفي في ظروف التشغيل القصوى (مثلاً، - 40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية) لتؤثر على هوامش الكسب والاستقرار، وبالمثل، يمكن أن تغيرات الاختلاف في العمر والعمليات من حيث الخصائص السطرية وغير الخطية، وبالنسبة للتصميم القوي، فإن جداول البحث عن المسافات العالية أو نماذج إحصائية تمتد إلى درجة الحرارة والتحيز والتواتر.

وعند استخدام مقياس التنويم المغناطيسي/غير الخطي، من الضروري ضمان أن يظل المحتوى المتناسق للمبنى غير الخطي ضمن النطاق الترددي الصحيح لوحدات قياس الترددات العالية التي تتبعه، ومن ثم فإن الرش الذي يصمم بمسدس 20 من نوع GHZ- - يُمكن أن يكون تصرفاً غير متوقع عندما يقوم المترجم بتسليم تواتر يبلغ 50 من المقياس التوائم.

وأخيرا، ينبغي أن يكون المصممون على علم بالقيود التي يفرضها تحليل الاستقرار الصغير النطاق على الدوائر غير الساحلية، إذ أن دوائر الاستقرار المستمدة من أجهزة التحيز ذات الترددات العالية لا تشير إلى إمكانية العزل إلا في ظل ظروف ضيقة، إذ أن وجود دائرة مستقرة بدون شروط في المناطق المنخفضة القدرة قد يصبح غير مستقر في إطار نقاط تحديد الهوية الكبيرة بسبب آثار الشذوذ أو تغيرات في الميزات النهائية التي تنجم عن ذلك.

المنظور المغلق

وقد أظهرت المقاييس المتفرقة قدرة ثابتة بارزة لأنها تحل المشكلة الأساسية المتمثلة في وصف الشبكات المتوازية على نحو يتسم بالموجات ويتوافق مع الطبيعة الموزعة لدوائر الترددات المتوسطة، حيث أن تكنولوجيات الأجهزة تتجه نحو نظامي الموجات المتعددة الأطراف المليمترات والتضاريس، كما أن مخططات قياس النطاقات المتدفقة والمفصلة من الناقلات تتطلب التنبؤات الأكثر دقة من غير الخطي، فإن إطار المقياس المفصل لا يزال يتطور.

والمهندس الذي يتقن هذا الطيف من الأدوات - من قياس VNA البسيط ذي الميول - إلى استخراج المقياس الفوقي المتداخل X - يمسك مفتاح توصيل الدوائر التي تؤدي بشكل موثوق عند حافة الفيزياء، وكل تصميم، سواء كان جهازاً مضخماً منخفضاً - لمحطة قاعدية ذات قدرة عالية أو جهاز إرسال راداري عالي القدرة، سيستفيد من فهم واضح لأشكال البرمجيات غير الثابتة في المستقبل.

For further reading, the following resources offer in‐depth information: the Keysight Nonlinear Analysis Solutions Portal; the ]Rohde " Schwarz Network Analyzer Fundamentals]; the Keysight XFarameter Note (59)