hvad er anvendelser og målinger af S-parametre? (Del 2)
Del 1 i denne ofte stillede spørgsmål var en grundlæggende introduktion til konteksten og begrebet s-parametre. Del 2 ser på deres måling og anvendelse og forhold til tidsdomænet.
spørgsmål: Hvordan måler du faktisk s-parametre?
A: generelt, bortset fra omtrentlige målinger, kan du ikke bruge en spektrumanalysator alene til denne frekvensdomænetest. I stedet, der er to dedikerede, specifikke klasser af instrumenter: netværksanalysatoren, som kan opsætte og måle de skalære s-parametre, og vektornetværksanalysatoren (VNA), som også måler vektoren (reelle og imaginære) s-parametre (Figur 1).
forskellige instrumenter er tilgængelige for en række maksimale frekvensområder, såsom op til 1 GH, 10 GH, og selv i snesevis af GH. Selvfølgelig går omkostningerne op med hver stigning i rækkevidde. Der er også 4-port analysatorer til differentielle kredsløb.
spørgsmål: Hvad er den fysiske opsætning ved hjælp af en VNA?
A: VNA bruger en præcis sinusbølge og fejer frekvensen, da en smalbåndsmodtager sporer det fejede indgangsrespons. Denne smalbåndsmodtager opnår lav støj og høj dynamisk rækkevidde af VNA. Det ser simpelt nok ud, men der er mange finesser og kompleksiteter i den interne arkitektur, komponenter og faktisk måling af målingerne. Som vist i (figur 2), s-parametre S11 = a/R1 og S21=B/R1, og bestemmes ved at måle størrelsen og fasen af hændelsen (R1), reflekteres (A) og transmitterede (B) spændingssignaler, når udgangen afsluttes i en perfekt tid, testsystemets karakteristiske impedans.
på grund af denne opsætningstilstand er det garanteret, at R2 er nul, da der ikke er nogen refleksion fra en ideel belastning. (Husk at S11 svarer til input kompleks reflektionskoefficient eller impedans af DUT, og S21 er den fremadrettede komplekse transmissionskoefficient.) Ved at placere kilden i port 2 og afslutte port 1 i en perfekt belastning (hvilket gør R1 nul), kan der ligeledes foretages S22 (=B/R2) og S12 (=a/R2) målinger. (husk igen, at S22 svarer til DUT ‘ s udgangskompleksreflektionskoefficient eller udgangsimpedans, og S12 er den omvendte komplekse transmissionskoefficient.)
spørgsmål: Hvad er nogle typiske S-parameter resultater?
A: der er ingen “typiske” resultater, men det er interessant at se på nogle “idealiserede” sager (figur 3).
spørgsmål: Hvem laver Vna ‘ er?
A: der er mange leverandører; blandt dem er Keysight, Anritsu, Rohde & Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments og Tektroniks. Der er også mange mindre kendte leverandører af Vna ‘ er til de lavere frekvenser, hvor den underliggende VNA-teknologi og kalibrering ikke er så kompliceret (men den er stadig ret avanceret; det er kun en relativ sammenligning). En standalone VNA koster mellem $5000 og $50.000 afhængigt af frekvens og ydeevne.
denne Keysight E5061B Ena Vector netværk analysator ($29,000) håndterer op til 3-GHS test og funktioner 120 dB dynamikområde – en vigtig figur af fortjeneste for nøjagtige resultater. Den håndterer både 50-og 75-Portionsimpedansarrangementer via GTS-klassens stik til de to porte på frontpanelet (figur 4).
der er også Vna ‘ er, der bruger en frontend-boks til RF/mikrobølgefunktionerne i forbindelse med en PC, der er tilsluttet via en USB-port. For eksempel er Tektroniks TTR500 ($9.000) en 100 KHS til 6 GHS VNA med over 122 dB dynamikområde, -50 til +7 dBm udgangseffekt og < 0,008 dB RMS sporstøj (figur 5).
generelt er højtydende Vna ‘ er (som bestemt af frekvensområde, dynamisk område, støjgulv og andre specifikationer) blandt de dyrere klasse af RF-testudstyr. Nogle Vna ‘ er kan også udføre en tidsdomænereflektometri (TDR) måling, som muliggør sammenligning og korrelation med VNA-målingerne.
spørgsmål: jeg ser testinstrumenter kaldet bærbare netværksanalysatorer, der tilbydes for et par tusind dollars-kan jeg bruge dem her?
A: Det afhænger. Årsagen er, at udtrykket “netværksanalysator” også henviser til et ikke-relateret instrument, der kontrollerer ydeevnen for et datalink eller datanetværk og leverer data såsom bit error rate (BER) versus SNR. Men der er billigere, robuste vektornetværksanalysatorer, der kan udføre målingerne i marken. Disse bruges af RF/mikrobølgeteknikere til opsætning, justering og fejlfinding, men er normalt ikke tilstrækkelige til indledende designindsats.
(bemærk, at udtrykket “netværksanalysator” sjældent forkortes som “NA”, da det også kan henvise til kommunikationsnetværk eller endda optiske parametre såsom numerisk blænde, mens vektornetværksanalysatoren ofte kaldes VNA – det er bare en af disse ting.)
spørgsmål: Dette virker ligetil en du men VNA, men hvad er realiteterne?
A: for det første er enhver måling af amplitude og fase ved højere frekvenser udfordrende og bliver mere, når frekvensen stiger. For S-parametre kan små fejl eller ubalancer i målearrangementet resultere i betydelige fejl i det endelige resultat; testresultaterne er meget følsomme over for testfejl.
Hvad er typerne af fejl?
A: der er tre brede typer VNA-Fejl: systemfejl i analysatoren og testopsætningen; disse er konsistente og kan kalibreres til en vis grad; tilfældige fejl instrumentstøj (kildefasestøj, samplerstøj, hvis støj og mere); og driftsfejl, der primært skyldes temperaturvariation; det kan også fjernes ved kalibrering).
spørgsmål: ud over at udvikle bedre instrumenter (hastighed, præcision, støj), Hvad kan der gøres?
A: DA s-parametermålinger er følsomme over for interne fejl, bruges Vna ‘ er normalt med en speciel kalibreringsarmatur, der består af en kendt “belastning.”Dette er ikke kun en simpel modstand eller anden passiv enhed. Det er en omhyggeligt designet og konstrueret armatur med kendte egenskaber, og den er forbundet til VNA via elektrisk matchede kabelpar, med RF-stik, der er egnede til hyppigheden af interesse.
ved hjælp af denne armatur kan VNA kalibreres, og selv skift i ydelse på grund af temperatur kan kalibreres og kompenseres. Hver kalibreringsarmatur er designet til brug op til en maksimal frekvens, ligesom dem til højere frekvenser er dyrere end dem til lavere. Kalibreringsopsætninger og sekvenser kan være manuelle operationer, men mange er nu automatiske operationer, der registrerer resultater og implementerer de nødvendige korrektionsfaktorer.
for eksempel er Keysight 85096C RF elektronisk Kalibreringsmodul designet til 300 KHS til 3 GHS drift (figur 6); det omfatter type-N, 75 ohm, 2-port forbindelser, og kan spores til NIST kalibrering. Den består af en USB-grænseflade til PC-kontrol sammen med solid state-skift, så den kan konfigureres efter behov under kalibreringsprocessen.
s-parametre er for frekvensdomænet – men mit arbejde er også tidsdomænerelateret-hvad er mine muligheder?
A: der er to muligheder. Den ene er at konvertere frekvensdataene for VNA-output til tidsdomænet via en invers hurtig Fourier-transformation (FFT). Den anden er at bruge et oscilloskop og fange dataene direkte i tidsdomænet via et tidsdomænereflektometri (TDR) oscilloskop. Dette instrument bruger en hurtig trinbølgeform (tringenerator) med minimal overskridelse sammen med en bredbåndsmodtager (sampler) til at måle trinrespons. Der er også kombinerede VNA / TDR-instrumenter, da meget af kredsløbet og fysiske grænseflader er ens.
spørgsmål: Hvilket er bedre: VNA med FFT eller TDR-tilgangen?
A: svaret afhænger af mange faktorer som frekvens af interesse, båndbredde, støjniveauer, dynamisk område, for blot at nævne nogle få.
spørgsmål: der blev nævnt noget om Smith-diagrammet tidligere; Hvad er forholdet mellem s-parametre og Smith-diagrammet?
A: Smith-diagrammet er den mest anvendte grafiske repræsentation af impedansen af en RF — enhed eller kanal versus frekvens-og har været i brug siden midten af 1920 ‘ erne. selvom det oprindeligt blev afbildet på papir, præsenteres det naturligvis nu også på skærmen på et VNA-eller TDR-instrument. S-parametrene kan markeres direkte på Smith-diagrammet for betydelig indsigt i komponent-og systemattributter (Figur 7).
denne ofte stillede spørgsmål har kort dækket et meget kompliceret, men vigtigt emne med s-parametre og relaterede problemer. Der er mange gode referencer til rådighed lige fra akademiske og lærebog-type behandlinger til leverandør ansøgning noter samt uformelle, mindre intense forklaringer.
ee verden online referencer
impedans matching og Smith chart, Del 1
impedans matching og Smith Chart, Del 2
trykte kredsløbskort, Del 4: Beyond FR-4
Passive mikrobølgekomponenter, Del 1: isolatorer og cirkulatorer
Passive mikrobølgekomponenter, Del 2: koblinger og splittere
hurtig interconnect analysator afslører tid – og frekvens-domænedetaljer i en enkelt erhvervelse
load pull for RF-enheder, Del 2: Hvordan og hvor
lavpris Vektornetværksanalysator dækker op til 6 gange
Vna ‘ er får opdateret tidsdomæne, øjediagramværktøjer
andre referencer
- Electrical4U, “Hybridparametre eller H-parametre”
- Keysight Technologies, ” S-Parameter målinger: Grundlæggende for høj hastighed digitale ingeniører”
- IEEE Aerospace Conference Proceedings, “Musik algoritme Doa estimering for kooperativ node placering i mobile ad hoc-netværk”
- IN3OTD hjemmeside, “Mitsubishi RD16HHF1 LDMOS Model S-parametre fra 50 MHS til 500 MHS”
- Mikrobølger101, “S-parametre”
- Marki mikrobølgeovn, “hvad er der med s-parametre?”
- I Overensstemmelse, ” S-Parametre Tutorial – Del I: Grundlæggende baggrund ”
- University of South Florida (VIA University of South Florida), “S-parametre”
- Tektroniks, “Hvad er en Vektornetværksanalysator, og hvordan fungerer det?”