Altı port tekniği ile vektör reflektometre tasarımı
Vector reflectometer design with six port technique
Yazar: MEHMET DİNÇTÜRK
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇAYÖREN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç bölücüler = Power dividers ; Reflektometre = Reflectometer ; Ölçüm teknikleri = Measurement techniques

Özet:
Radyo frekans (RF) sistemler savunma sanayi, iletişim şirketleri, güvenlik şirketleri gibi birçok sektörde etkin olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerin yaygınlığı ve önemi yıllar içinde artarak devam etmiştir. Çok önemli olan bu sistemleri test etmek için kullanılan cihazların maliyetleri de ciddi rakamlara ulaşabilmektedir. RF ölçüm metodolojisi birkaç alt kategoriye ayrılabilir. En çok kullanılan ölçüm yöntemi vektör analizi yöntemidir. Bu ölçüm yöntemini yapan cihazlara da vektör devre analizörü (VNA) denmektedir. VNA ile devrelerin s parametreleri ölçülmektedir. Bu cihazlar oldukça kompleks bir mimariye sahiptir. VNA yerine tüm saçılma (s) parametrelerini ölçemese de yansıma katsayısı gibi en önemli parametreyi (s11 parametresi) ölçen reflektometre mimarisi kullanılabilir.
Reflektometrenin çalışma prensibi kısaca şu şekilde anlatılabilir. Giriş portundan alınan RF gücün küçük bir kısmı güç bölücüler ve yönlü kuplörler kullanılarak sisteme bağlanan güç dedektörlerine iletilir ve dedektörler yardımı ile sisteme giren güç ölçülür. Sinyalin büyük kısmı ise test altındaki cihaza (DUT) (bu cihazın bağlandığı porta DUT portu da denir) iletilir. DUT'tan yansıyan güç tekrar güç bölücüler ve yönlü kuplörler aracalığıyla güç dedektörlerine iletilerek DUT'tan sisteme geri dönen güç ölçülür. Bu geri dönen gücün sisteme giren güce oranı yapılarak yansıma katsayısı hesaplanır. Literatürde bu ölçüm prensibini sağlayan birçok farklı reflektometre mimarisi bulunmaktadır. Bu mimariler birbirinden farklı yönlerden ayrılmaktadır. Bazı refloktemetre mimarilerinde ölçüm hata payı oldukça düşük olurken gerçeklemesi zor olur, bazı mimarilerde ise gerçeklemesi kolay olurken ölçüm hata payları yüksek olur. Bu mimarilerin gerçeklenmesinde genellikle baskılı devre kartı teknolojisi tercih edilir ancak dalga kılavuzları veya MMIC tasarım şeklinde yapılan reflektometre tasarımları da literatürde mevcuttur. 
Reflektometre tasarımındaki bir diğer önemli konu çıkış port sayısıdır. Yansıma katsayısının genliğini bulmak için giriş ve DUT portları dışında iki adet çıkış portu yeterliyken, faz bilgisi de öğrenilmek isteniyorsa en az üç çıkış portu olmalıdır. Literatürde farklı port sayılarında reflektometre tasarımları vardır. Çıkış portu sayısı arttıkça ölçüm keskinliğinin artması sağlanmıştır. Ancak port sayısı ne kadar artarsa sistem karmaşıklığı da o kadar artacak ve gerçeklenmesi de zor olacaktır. Sistemdeki portlarla ilgili bir diğer önemli parametre de portlarda uyumlaştırma konusudur. Portlarda uyumlaştırma yapılmazsa dedektörlere gelen güçte yansımalar olacağı için ölçüm hata payı artacaktır. Bu parametre de tasarımı zorlaştıran bir diğer değişkendir.
Reflektometre tasarımında mimari kadar önemli bir diğer konu ise tasarlanan sistemin kalibrasyonudur. Literatürde farklı kalibrasyon yöntemleri bulunmaktadır ve kullanılan kalibrasyon metoduna göre oldukça farklı sonuçlar elde edilebilmektedir. Bu kalibrasyon yöntemleri lineer kalibrasyon ve lineer olmayan kalibrasyon yöntemleri şeklinde iki alt başlığa ayrılabilir. Altı portlu bir reflektometre mimarisi düşünülürse lineer olmayan kalibrasyon metoduyla kalibrasyon yapmak için gerekli standart sayısı üçe kadar indirilebilirken matematiksel model oldukça karmaşık hale gelmektedir. Lineer kalibrasyon yöntemiyle kalibrasyon yapmak istenilirse en az beş adet standart kullanılmalıdır.  
Bu tezde altı portlu mimari kullanılarak reflektometre tasarımı yapılmıştır. Altı portlu bu sistem tasarlanırken son yıllarda ortaya çıkan güç dedektörleri eşleştirmeden aksine güç dedektörlerinin yansımalarını kullanarak mimari tasarlanmıştır. Bu mimari klasik mimarilerin aksine girişten alınan RF gücün büyük kısmını DUT'a iletmek yerine tüm gücü, güç bölücüleri ve kuplörlerin yardımı ile RF güç dedektörlerine iletir. Güç dedektörlerinde uyumlaştırma yapılmaz ve bu sayede gelen sinyalin büyük kısmı yansır ve yansıyan bu sinyal ölçüm portuna gider. Ölçüm portundan yansıyan sinyal ise tekrar güç dedektörlerine gelir ve yansıyan sinyal ölçülür. Bu şekilde tasarımın yapılabilmesine izin veren ana etken gelişmiş güç dedektörlerinin dinamik aralığının yüksek olmasıdır. Yüksek dinamik aralığı sayesinde -50 dB değerlerine kadar doğru güç okumaları yapılabilmektedir.
Güç okumaları yapıldıktan sonra kalibrasyon kısmına geçilmiştir. Kalibrasyon kısmında iki adet yöntem denenmiştir. Bunlardan biri simülasyon olarak gösterilmiş, diğerinin ise gerçeklenmesi yapılmıştır. İlk metoda göre dört portun uygun üç tanesi seçilmiş ve bu portların giriş portuna göre saçılma parametreleri ölçülmüştür. Portların bir tanesi referans alınarak ölçülen bu saçılma parametreleri ile kullanılan kalibrasyon standartlarına göre çemberler oluşturulmuştur. Portlardaki güç ölçümleri ile de çemberlerin yarıçapları bulunmuştur. Yarıçapları hesaplarken de çemberler oluşturulurken referans olarak kullanılan port gene referans olarak kullanılmıştır. Daha sonra bu çemberlerin uygun kesişimleri alınmış ve bağlanan yükün yansıma katsayısını ölçmek için kullanılacak kalibrasyon sistemi ortaya çıkarılmıştır. Farklı yükler için yansıma katsayısı ölçümleri yapılmış ve ilk kalibrasyon kısmının sonunda tablo olarak verilmiştir.
İkinci kalibrasyon metodunda dört portun tamamı kullanılarak kalibrasyon yapılmaya çalışılmıştır. Beş standartlı kalibrasyon metoduna göre kalibrasyon sadece güç okumalarına dayanmaktadır. Öncelikle kalibrasyon için gerekli matrisin parametreleri bulunmuştur. Daha sonra bu matrisin parametreleri ve güç ölçümleri kullanılarak yansıma katsayısı hesaplanmaya çalışılmıştır. Sonuçlar tablo olarak ilgili bölümün sonunda verilmiştir.
Bu çalışmadan anlaşılacağı üzere yansıma katsayısını ölçmek için yüksek maliyetli olan VNA'lar yerine reflektometre sistemleri çeşitli uygulamalar için rahatlıkla kullanılabilir. VNA'lara göre avantajları hafif ve daha rahat taşınır olması olarak söylenebilir. Dezavantajları ise VNA'lar kadar geniş bant ölçüm yapmakta kullanılamazlar. Sistemin sadece yansıma katsayısı ölçümünü yapabilirler. Ayrıca kullanılan mimari ile reflektometre sistemlerinde güç dedektörü eşitlemesi yapılmadan da yansıma katsayısının oldukça düşük bir hata payıyla hesaplanabildiği gösterilmiştir. Ancak bunun için doğru kalibrasyon yöntemini seçmek ve doğru güç dedektörlerini seçmek hayati önem taşımaktadır.

Abstract:
RF systems are used effectively in many sectors such as defense industry, communication companies, security companies. The prevalence and importance of these systems has continued to increase over the years. The costs of the devices used to test these systems, which are very important, can reach serious figures. RF measurement methodology can be divided into several subcategories. The most widely used measurement method is the vector analysis method. Devices that make this measurement method are also called VNA. With VNA, the s parameters of the circuits are measured. These devices have a very complex architecture. Although it cannot measure all s parameters, instead of VNA, reflectometer architecture that measures the most important parameter such as the reflection coefficient (s11 parameter) can be used.
The working principle of the reflectometer can be briefly explained as follows. A small part of the RF power received from the input port is transmitted to the power detectors connected to the system using power dividers and directional couplers, and the power entering the system is measured with the help of the detectors. Most of the signal is transmitted to the device under test (DUT) (the port to which this device is connected is also called the DUT port). The power reflected from the DUT is transmitted back to the power detectors via power dividers and directional couplers, and the power returned from the DUT to the system is measured. The reflection coefficient is calculated by making the ratio of this returning power to the entering power to the system. There are many different reflectometer architectures in the literature that provide this measurement principle. These architectures differ from each other in different ways. In some reflectometer architectures, the measurement error margin is very low and difficult to implement, while in some architectures it is easy to implement, but the measurement error margins are high. Printed circuit board technology is generally preferred in the implementation of these architectures, but reflectometer designs made in the form of waveguides or MMIC designs are also available in the literature.
Another important issue in reflectometer design is the number of output ports. While two output ports are sufficient to find the amplitude of the reflection coefficient, apart from the input and DUT ports, there must be at least three output ports if phase information is to be learned. There are reflectometer designs with different port numbers in the literature. As the number of output ports increases, the measurement accuracy increases. However, as the number of ports increases, the complexity of the system will increase and it will be difficult to implement. Another important parameter regarding the ports in the system is the harmonization of the ports. If the ports are not matched, the measurement error margin will increase as there will be reflections in the power coming to the detectors. This parameter is another variable that complicates the design.
Another issue as important as the architecture in reflectometer design is the calibration of the designed system. There are different calibration methods in the literature and quite different results can be obtained according to the calibration method used. These calibration methods can be divided into two subheadings as linear calibration and nonlinear calibration methods. Considering a six-port reflectometer architecture, the number of standards required to calibrate with the non-linear calibration method can be reduced to three, while the mathematical model becomes quite complex. If it is desired to calibrate with the linear calibration method, at least five standards should be used.
In this thesis, a reflectometer was designed using a six-port architecture. While designing this six-port system, the architecture was designed by using the reflections of the power detectors instead of matching the power detectors that have emerged in recent years. Unlike classical architectures, this architecture transmits all the power to the RF power detectors with the help of power dividers and couplers, instead of transmitting most of the RF power from the input to the DUT. Power detectors do not match, so most of the incoming signal is reflected and this reflected signal goes to the measurement port. The reflected signal from the measurement port comes back to the power detectors and the reflected signal is measured. The main factor allowing this design to be done is the high dynamic range of advanced power detectors. Thanks to its high dynamic range, accurate power readings can be made down to -50 dB.
After the power readings were taken, the calibration part was started. In the calibration part, two methods were tried. One of them is shown as a simulation and the other is implemented. According to the first method, suitable three of the four ports were selected and the scattering parameters of these ports were measured according to the input port. Circles were formed according to the calibration standards used with these scattering parameters measured by reference to one of the ports. The radii of the circles were found with the power measurements at the ports. While calculating the radii, the port used as a reference while creating the circles was also used as a reference. Then, the appropriate intersections of these circles were taken and the calibration system to be used to measure the reflection coefficient of the connected load was revealed. Reflection coefficient measurements were made for different loads and are given as a table at the end of the first calibration section.
In the second calibration method, calibration was attempted using all four ports. Calibration according to the five standard calibration method is based on power readings only. First of all, the parameters of the matrix required for calibration were found. Then, the reflection coefficient was tried to be calculated by using the parameters and power measurements of this matrix. The results are given at the end of the relevant section as a table.
As can be understood from this study, reflectometer systems can be easily used for various applications instead of VNAs, which are costly to measure the reflection coefficient. Its advantages over VNAs can be said to be lighter and more portable. The disadvantages are that they cannot be used to measure as broadband as VNAs. They can only measure the reflection coefficient of the system. In addition, it has been shown that the reflection coefficient can be calculated with a very low margin of error without power detector equalization in reflectometer systems with the architecture used. However, it is vital to choose the right calibration method and choose the right power detectors for this.