jaké jsou aplikace a měření s-parametrů? (Část 2)
Část 1 tohoto FAQ byla základním úvodem do kontextu a konceptu s-parametrů. Část 2 se zabývá jejich měřením a aplikací a vztahem k časové oblasti.
otázka: Jak vlastně změříte parametry s?
A: obecně, s výjimkou přibližných měření, nemůžete použít spektrální analyzátor sám pro tento test kmitočtové domény. Namísto, existují dvě vyhrazené, specifické třídy nástrojů: síťový analyzátor, který může nastavit a měřit skalární s-parametry, a vektorový síťový analyzátor (VNA), který také měří vektorové (reálné a imaginární) s-parametry (Obrázek 1).
různé nástroje jsou k dispozici pro různé maximální frekvenční rozsahy, například až 1 GHz, 10 GHz, a dokonce i do desítek GHz. Náklady samozřejmě rostou s každým zvýšením rozsahu. K dispozici jsou také 4portové analyzátory pro diferenciální obvody.
otázka: Jaké je fyzické nastavení pomocí VNA?
A: VNA používá přesnou sinusovou vlnu a zametá frekvenci, protože úzkopásmový přijímač sleduje zametanou vstupní odezvu. Tento úzkopásmový přijímač dosahuje nízkého šumu a vysokého dynamického rozsahu VNA. Vypadá to dost jednoduché, ale existuje mnoho jemností a složitosti ve vnitřní architektuře, komponenty, a vlastně dělat měření. Jak je znázorněno na (obrázek 2), s-parametry S11 = a / R1 a S21=B/R1, a jsou určeny měřením velikosti a fáze incidentu (R1), odražené (A) a přenášené (B) napěťové signály, když je výstup ukončen v dokonalém Zo, charakteristická impedance zkušebního systému.
díky tomuto stavu nastavení je zaručeno, že R2 je nula, protože nedochází k odrazu od ideálního zatížení. (Připomeňme, že S11 je ekvivalentní vstupnímu komplexnímu koeficientu odrazu nebo impedanci DUT a S21 je dopředný komplexní koeficient přenosu.) Podobně umístěním zdroje na port 2 a ukončením portu 1 v dokonalém zatížení (takže R1 nula) lze provést měření S22 (=B/R2) a S12 (=a/R2). (opět připomeňme, že S22 je ekvivalentní výstupnímu komplexnímu koeficientu odrazu nebo výstupní impedanci DUT a S12 je reverzní komplexní koeficient přenosu.)
Q: Jaké jsou některé typické výsledky s-parametrů?
A: neexistují žádné „typické“ výsledky ,ale je zajímavé podívat se na některé“ idealizované “ případy (obrázek 3).
otázka: Kdo dělá VNAs?
A: existuje mnoho prodejců; mezi nimi jsou Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments a Tektronix. Existuje také mnoho méně známých dodavatelů vna pro nižší frekvence, kde základní technologie VNA a kalibrace nejsou tak komplikované (ale je to stále docela pokročilé; je to jen relativní srovnání). Samostatná VNA stojí mezi $ 5000 a $ 50,000 v závislosti na frekvenci a výkonu.
tento vektorový síťový analyzátor Keysight E5061B ENA (29 000$) zpracovává až 3 GHz testy a nabízí 120 dB dynamického rozsahu-důležitá hodnota zásluh pro přesné výsledky. Zpracovává impedanční uspořádání 50 Ω a 75 Ω prostřednictvím konektorů třídy GHz pro dva porty na předním panelu (Obrázek 4).
existují také VNAs, které používají front-end box pro RF / mikrovlnné funkce ve spojení s počítačem připojeným přes USB port. Například Tektronix TTR500 ($9,000) je 100 kHz až 6 GHz VNA s dynamickým rozsahem více než 122 dB, výstupním výkonem -50 až + 7 dBm a < 0.008 dB RMS stopovým šumem (obrázek 5).
obecně platí, že vysoce výkonné VNAs (jak je určeno frekvenčním rozsahem, dynamickým rozsahem, hlukovou podlahou a dalšími specifikacemi) patří mezi dražší třídu RF testovacích zařízení. Některé vna mohou také provádět měření reflektometrie časové domény (TDR), které umožňuje srovnání a korelaci s měřeními VNA.
otázka: vidím testovací nástroje zvané přenosné síťové analyzátory nabízené za několik tisíc dolarů – mohu je použít zde?
A: záleží. Důvodem je, že termín „síťový analyzátor“ také odkazuje na nesouvisející nástroj, který kontroluje výkon datového spojení nebo datové sítě a poskytuje data, jako je bitová chybovost (BER) versus SNR. Existují však levnější a robustnější vektorové síťové analyzátory, které mohou provádět měření v terénu. Používají je RF / mikrovlnní technici pro nastavení, Nastavení a odstraňování problémů, ale obvykle nejsou dostatečné pro počáteční úsilí o návrh.
(Všimněte si, že termín „síťový analyzátor“ je zřídka zkrácen jako „NA“, protože to může také odkazovat na komunikační sítě nebo dokonce optické parametry, jako je numerická clona, zatímco vektorový síťový analyzátor se často nazývá VNA – je to jen jedna z těch věcí.)
otázka: zdá se to jednoduché, ale VNA, ale jaké jsou skutečnosti?
A: za prvé, jakékoli měření amplitudy a fáze při vyšších frekvencích je náročné a získává se více, jak se frekvence zvyšuje. U parametrů s mohou malé chyby nebo nerovnováhy v uspořádání měření vést k významným chybám v konečném výsledku; výsledky testů jsou vysoce citlivé na nedokonalosti testů.
Q Jaké jsou typy chyb?
A: existují tři široké typy chyb vna: systémové chyby v analyzátoru a nastavení testu; jsou konzistentní a mohou být do určité míry kalibrovány; náhodné chyby hluk přístroje (šum zdrojové fáze, šum vzorkovače, šum IF a další); a chyby driftu, které jsou primárně způsobeny změnami teploty; to také může být odstraněno kalibrací).
Q: kromě vývoje lepších nástrojů (rychlost, přesnost, hluk), co lze udělat?
A: protože měření parametrů s jsou citlivá na vnitřní chyby, VNAs se obvykle používají se speciálním kalibračním přípravkem, který se skládá ze známého „zatížení“.“Nejedná se pouze o jednoduchý odpor nebo jiné pasivní zařízení. Jedná se o pečlivě navržené a zkonstruované zařízení se známými vlastnostmi a je připojeno k VNA pomocí elektricky spárovaných kabelových párů s RF konektory vhodnými pro požadovanou frekvenci.
pomocí tohoto přípravku lze vna kalibrovat a dokonce i posuny výkonu v důsledku teploty lze kalibrovat a kompenzovat. Každé kalibrační zařízení je navrženo pro použití do maximální frekvence, stejně jako u vyšších frekvencí jsou nákladnější než u nižších. Kalibrační nastavení a sekvence mohou být ruční operace, ale mnoho z nich je nyní automatických operací, které zaznamenávají výsledky a implementují potřebné korekční faktory.
například RF elektronický kalibrační modul Keysight 85096C je navržen pro provoz 300 kHz až 3 GHz (obrázek 6); zahrnuje připojení typu N, 75 ohmů, 2 porty a je sledovatelné pro kalibraci NIST. Skládá se z rozhraní USB pro ovládání PC spolu s přepínáním v pevném stavu, takže jej lze během kalibračního procesu nakonfigurovat podle potřeby.
Q: s-parametry jsou pro frekvenční doménu – ale moje práce souvisí také s časovou doménou-jaké jsou mé možnosti?
A: existují dvě možnosti. Jedním z nich je převést frekvenční data výstupu vna na časovou doménu pomocí inverzní rychlé Fourierovy transformace (FFT). Druhým je použití osciloskopu a zachycení dat přímo v časové doméně pomocí osciloskopu reflektometrie časové domény (TDR). Tento přístroj používá rychlý krokový průběh (krokový generátor) s minimálním překročením spolu s širokopásmovým přijímačem (vzorkovačem) k měření odezvy kroku. Existují také kombinované nástroje VNA / TDR, protože většina obvodů a fyzická rozhraní jsou podobná.
Q: který je lepší: vna s FFT nebo TDR přístup?
A: odpověď závisí na mnoha faktorech, jako je frekvence zájmu, šířka pásma, hladiny hluku, dynamický rozsah, citovat jen několik.
Q: tam byla nějaká zmínka o Smithově grafu dříve; jaký je vztah mezi s-parametry a Smithovým grafem?
A: Smithova tabulka je nejpoužívanějším grafickým znázorněním impedance RF zařízení nebo kanálu versus frekvence-a používá se od poloviny 20. let 20. století. ačkoli je zpočátku vykreslena na papíře, samozřejmě je nyní také prezentována na obrazovce nástroje VNA nebo TDR. Parametry s lze označit přímo na Smithově grafu pro významný vhled do atributů komponent a systému (Obrázek 7).
tento FAQ se stručně zabýval velmi komplikovaným, ale důležitým tématem s-parametrů a souvisejících otázek. K dispozici je mnoho dobrých referencí, od akademických a učebnicových ošetření až po Poznámky k aplikaci dodavatele a neformální, méně intenzivní vysvětlení.
ee World Online Reference
Impedance matching and the Smith chart, Part 1
Impedance matching and the Smith Chart, Part 2
desky s plošnými spoji, Part 4: Beyond FR-4
pasivní mikrovlnné komponenty, Part 1: izolátory a cirkulátory
pasivní mikrovlnné komponenty, Part 2: spojky a rozbočovače
Fast interconnect analyzer odhaluje podrobnosti o časové a frekvenční doméně v jediné akvizici
Load pull for RF devices, Part 2: Jak a kde
nízkonákladový vektorový síťový analyzátor pokrývá až 6 GHz
VNAs získejte aktualizovanou časovou doménu, nástroje pro diagram očí
další reference
- Electrical4U, „hybridní parametry nebo parametry h“
- Keysight Technologies, „měření parametrů s: Základy pro vysokorychlostní digitální inženýry “
- IEEE Aerospace Conference Proceedings,“hudební algoritmus Doa estimation for cooperative node location in mobile ad hoc networks“
- web IN3OTD, „Mitsubishi RD16HHF1 LDMOS model s-parameters from 50 MHz to 500 MHz“
- Microwaves101,“s-parameters „
- marki Microwave, “ co je to s S-parameters?“
- V Souladu, “ S-Parametry Tutorial-Část I: Základní pozadí „
- University of South Florida (via Northern Arizona University), „s-parametry“
- Tektronix, “ co je to vektorový síťový analyzátor a jak to funguje?“