mitkä ovat S-parametrien sovellukset ja mittaukset? (Osa 2)

tämän UKK: n osa 1 oli perusesitys s-parametrien kontekstiin ja käsitteeseen. Osa 2 tarkastelee niiden mittaamista ja soveltamista sekä suhdetta aika-alueeseen.

Q: Miten s-parametreja oikeastaan mitataan?

A: yleensä, lukuun ottamatta likimääräisiä mittauksia, et voi käyttää pelkästään spektrianalysaattoria tässä taajuusaluetestissä. Sen sijaan on olemassa kaksi omaa, erityistä instrumenttiluokkaa: verkkoanalysaattori, joka voi määrittää ja mitata skalaarin s-parametreja, ja vektoriverkkoanalysaattori (VNA), joka mittaa myös vektorin (reaaliset ja imaginaariset) s-parametreja (Kuva 1).

Kuva 1: s-parametrin testikonfiguraation käsite edellyttää tunnetun signaalin pistämistä tuloon ja sen mittaamista sekä lähtöporttiin että takaisin tuloporttiin heijastettuun signaaliin. (Kuva: Tektronix, Inc.)

eri välineitä on saatavilla erilaisia maksimitaajuusalueilla, kuten jopa 1 GHz, 10 GHz,ja jopa kymmeniä GHz. Tietenkin kustannukset nousevat jokaisen valikoiman kasvaessa. On myös 4-porttisia analysaattoreita differentiaalipiireille.

K: Mikä on VNA: ta käyttävä fyysinen asetelma?

A: VNA käyttää tarkkaa siniaaltoa ja pyyhkäisee taajuutta, kun kapeakaistainen vastaanotin seuraa pyyhkäistyä tulovastetta. Tämä kapeakaistainen vastaanotin saavuttaa hiljainen ja korkea dynaaminen alue VNA. Se näyttää riittävän yksinkertaiselta, mutta sisäisessä arkkitehtuurissa, komponenteissa ja mittausten tekemisessä on monia hienouksia ja mutkikkuuksia. Kuten (kuva 2) on esitetty, s-parametrit S11 = a/R1 ja S21=B/R1, ja ne määritetään mittaamalla tapahtuman suuruus ja vaihe (R1), heijastuvat (A) ja lähetetään (b) jännitesignaalit, kun lähtö päättyy täydelliseen Zo: een, testijärjestelmän ominaisimpedanssiin.

kuva 2: neljän s-parametrin täysi matriisi määritetään signaalien avulla jokaiseen porttiin ja ulos sekä heijastetaan takaisin lähteeseen. (Kuva: Keysight Technologies)

tämän asetusehdon vuoksi on taattu, että R2 on nolla, koska ideaalikuormituksesta ei ole heijastusta. (Muistaa, että S11 vastaa tulo monimutkainen heijastuskerroin tai impedanssi DUT, ja S21 on eteenpäin monimutkainen siirtokerroin.) Samoin voidaan tehdä S22 (=B/R2) – ja S12 (=a/R2) – mittauksia asettamalla lähde porttiin 2 ja päättämällä portti 1 täydellisellä kuormituksella (jolloin R1 on nolla). (jälleen, muistaa, että S22 vastaa lähdön monimutkainen heijastuskerroin tai Lähtöimpedanssi DUT, ja S12 on käänteinen monimutkainen siirto kerroin.)

Q: Mitkä ovat joitakin tyypillisiä s-parametrin tuloksia?

A: ”tyypillisiä” tuloksia ei ole, mutta on mielenkiintoista tarkastella joitakin ”idealisoituja” tapauksia (kuva 3).

kuva 3: s-parametrit eri ihanteellinen Suodattimet niin miten ne luonnehtivat suorituskykyä. (Kuva: University of South Florida)

K: kuka tekee Vnoja?

A: myyjiä on paljon; niitä ovat muun muassa Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments ja Tektronix. On myös monia vähemmän tunnettuja myyjät VNAs varten alempia taajuuksia, joissa taustalla VNA tekniikka ja kalibrointi eivät ole niin monimutkaisia (mutta se on vielä melko kehittynyt; se on vain suhteellinen vertailu). Itsenäinen VNA maksaa välillä $5000 ja $50,000 riippuen taajuus ja suorituskyky.

tämä Keysight E5061B ENA Vector Network Analyzer ($29,000) käsittelee jopa 3-GHz testejä ja siinä on 120 dB dynaamista aluetta – tärkeä luku tarkkojen tulosten kannalta. Se hoitaa sekä 50 Ω että 75 Ω impedanssijärjestelyt etupaneelin kahden portin GHz-luokan liittimien kautta (kuva 4).

Kuva 4: Keysight E5061B ENA-Vektoriverkkoanalysaattorilla 3 GHz: n testeissä on 120 dB dynaamista aluetta ja se toimii 50 Ω: n ja 75 Ω: n impedansseilla. (Kuva: Keysight Technologies)

on myös VNA, jotka käyttävät front-end laatikko RF / Mikroaaltouuni toiminnot yhdessä PC kytketty USB-portin kautta. Esimerkiksi Tektronix TTR500 ($9,000) on 100 kHz-6 GHz VNA, jonka dynaaminen alue on yli 122 dB, -50 – +7 dBm lähtöteho ja < 0,008 dB RMS trace noise, (kuva 5).

kuva 5: jotkut VNA kuten Tektronix TTR500 käyttää erillistä front-end RF-liitäntä ja tukea piiri, sitten linkki tietokoneeseen USB-kaapelilla. (Kuva: Tektronix, Inc.)

yleensä korkean suorituskyvyn VNA (määritettynä taajuusalueella, dynaaminen alue, melu lattia, ja muut tekniset tiedot) ovat kalliimpia luokan RF-testauslaitteet. Jotkut VNA: t voivat myös suorittaa aika-alueen heijastusmittauksen (TDR), joka mahdollistaa vertailun ja korrelaation VNA-mittausten kanssa.

Q: näen kannettaviksi verkkoanalysaattoreiksi kutsuttuja testilaitteita, joita tarjotaan muutamalla tuhannella dollarilla – Voinko käyttää niitä täällä?

A: se riippuu. Syynä on se, että termi ”verkkoanalysaattori” viittaa myös toisiinsa liittymättömään laitteeseen, joka tarkistaa tiedonsiirtoyhteyden tai tietoverkon suorituskyvyn ja tarjoaa tietoja, kuten bit error rate (Ber) vs. SNR. Mutta on olemassa edullisempia, lujitettuja vektoriverkon analysaattoreita, jotka voivat suorittaa mittaukset kentällä. RF / Mikroaaltouuni teknikot käyttävät näitä asennukseen, säätöön ja vianmääritykseen, mutta ne eivät yleensä ole riittäviä alustavaan suunnitteluun.

(huomaa, että termi ”verkkoanalysaattori” on harvoin lyhennetty muotoon ”NA”, koska se voisi viitata myös tietoliikenneverkkoihin tai jopa optisiin parametreihin kuten numeeriseen apertuuriin, kun taas vektoriverkon analysaattoria kutsutaan usein VNA: ksi – se on vain yksi näistä asioista.)

K: tämä näyttää suoraviivaiselta yksi sinä vaan VNA, mutta mitkä ovat realiteetit?

A: Ensinnäkin amplitudin ja vaiheen mittaaminen korkeammilla taajuuksilla on haastavaa, ja se lisääntyy taajuuden kasvaessa. S-parametrien osalta pienet virheet tai mittausjärjestelyjen epätasapainot voivat johtaa merkittäviin virheisiin lopputuloksessa; testitulokset ovat erittäin herkkiä testin puutteille.

Q Mitkä ovat virhetyypit?

A: VNA-virheitä on kolmenlaisia: analysaattorin ja testiasennuksen järjestelmävirheet; ne ovat yhdenmukaisia ja ne voidaan kalibroida jossain määrin; satunnaiset virheet mittalaitteiden melu (lähdevaiheen melu, näytteenottimen melu, IF-kohina ja paljon muuta); ja ajovirheet, jotka johtuvat pääasiassa lämpötilan vaihtelusta; sekin voidaan poistaa kalibroinnilla).

K: Mitä voidaan tehdä sen lisäksi, että kehitetään parempia välineitä (nopeus, tarkkuus, melu)?

A: Koska s-parametrien mittaukset ovat herkkiä sisäisille virheille, VNA: ita käytetään yleensä erityisellä kalibrointilaitteella, joka koostuu tunnetusta ”kuormituksesta.”Tämä ei ole vain yksinkertainen vastus tai muu passiivinen laite. Se on huolellisesti suunniteltu ja suunniteltu telineeseen tunnettuja ominaisuuksia, ja se on kytketty VNA kautta sähköisesti sovitettu kaapeli paria, RF-liittimet soveltuvat taajuus kiinnostaa.

tällä valaisimella VNA voidaan kalibroida ja jopa lämpötilasta johtuvat suorituskyvyn muutokset voidaan kalibroida ja kompensoida. Jokainen kalibrointiteline on suunniteltu käytettäväksi enimmäistaajuudella, kuten korkeammat taajuudet ovat kalliimpia kuin matalammat. Kalibrointiasennukset ja-sekvenssit voivat olla manuaalisia toimintoja, mutta monet ovat nyt automaattisia operaatioita, jotka tallentavat tuloksia ja toteuttavat tarvittavat korjauskertoimet.

esimerkiksi Keysight 85096C RF-elektroninen Kalibrointimoduuli on suunniteltu 300 kHz-3 GHz: n toimintaan (kuva 6); se sisältää tyypin n, 75 ohmia, 2-porttiset liitännät ja on jäljitettävissä NIST-kalibrointiin. Se koostuu USB-liitännästä PC-ohjaukseen sekä solid-state-kytkentä, joten se voidaan konfiguroida tarpeen mukaan kalibrointiprosessin aikana.

kuva 6: suorituskykyisemmän VNA: n kalibrointiteline on kriittinen osa testausjärjestelyä (Kuva: Keysight Technologies)

k: s-parametrit ovat taajuusalueen, mutta työni on myös aika-domain liittyvät-mitkä ovat minun vaihtoehtoja?

A: vaihtoehtoja on kaksi. Yksi on muuntaa taajuustiedot VNA lähtö aika verkkotunnuksen kautta Käänteinen fast Fourier muunnos (FFT). Toinen on oskilloskoopin käyttö ja tietojen tallentaminen suoraan aika-alueelle TDR-oskilloskoopin (time domain reflectometry) avulla. Tämä laite käyttää fast step-aaltomuotoa (step generator) minimaalisella ylityksellä sekä laajakaistavastaanotinta (sampleri) askelvasteen mittaamiseen. On myös yhdistetty VNA/TDR välineitä, koska suuri osa piiri, ja fyysiset rajapinnat ovat samanlaisia.

Q: kumpi on parempi: VNA FFT: llä, vai TDR-lähestymistapa?

A: vastaus riippuu monista tekijöistä, kuten kiinnostuksen taajuudesta, kaistanleveydestä, melutasosta, dynaamisesta alueesta, Vain muutamia mainitakseni.

Q: Smithin kaaviosta oli aiemmin jonkin verran mainintaa; mikä on s-parametrien ja Smithin kaavion suhde?
A: Smith-kaavio on käytetyin graafinen esitys RF-laitteen tai kanavan impedanssista taajuutta vastaan — ja se on ollut käytössä 1920-luvun puolivälistä lähtien. vaikka se piirretään aluksi paperille, se esitetään nykyään myös VNA-tai TDR-laitteen näytöllä. S-parametrit voidaan merkitä suoraan Smith-kaavioon, jotta saadaan merkittävää tietoa komponentin ja järjestelmän ominaisuuksista (Kuva 7).

Kuva 7: s-parametrit voidaan kartoittaa Smith-kaavioon suunnittelun analysointia ja oivalluksia varten. (Kuva: QSL.net)

tämä usein kysytty kysymys on lyhyesti käsitellyt erittäin monimutkaista mutta tärkeää aihetta s-parametreista ja niihin liittyvistä kysymyksistä. Tarjolla on monia hyviä referenssejä aina akateemisista ja oppikirjojen tyyppisistä hoidoista myyjän hakemusmuistioihin sekä vapaamuotoisiin, vähemmän intensiivisiin selityksiin.

EE World Online References

impedanssisovitus ja Smith chart, Part 1
impedanssisovitus ja Smith Chart, Part 2
Printed Circuit Boards, Part 4: Beyond FR-4
Passive microwave components, Part 1: isolators and circulators
Passive microwave components, Part 2: couplers and splitters
Fast interconnect analyzer reveals time – and frequency-domain tiedot yksittäisessä hankinnassa
kuormanveto RF-laitteille, Osa 2: Miten ja missä
Edullinen Vektoriverkkoanalysaattori kattaa enintään 6 GHz
VNAs get updated time domain, eye diagram tools

muut viitteet

  • Electrical4U,”Hybrid Parameters or h Parameters”
  • Keysight Technologies, ” S-Parametrimittaukset: Basics for High Speed Digital Engineers”
  • IEEE Aerospace Conference Proceedings, ”MUSIC algorithm Doa estimation for cooperative node location in mobile ad hoc networks”
  • in3otd web site, ”Mitsubishi RD16HHF1 LDMOS model S-parameters from 50 MHz to 500 MHz”
  • Microwaves101, ”S-parameters”
  • Marki mikroaaltouuni: ”mikä s-parametrien juttu on?”
  • In Compliance, ” S-Parameters Tutorial-Part I: Fundamental Background”
  • University of South Florida (via Northern Arizona University), ”S-parametrit”
  • Tektronix, ”What is a Vector Network Analyzer and how does it work?”

Leave a Reply

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.