Quelles sont les applications et les mesures des paramètres S ? (Partie 2)
La partie 1 de cette FAQ était une introduction de base au contexte et au concept des paramètres s. La partie 2 examine leur mesure, leur application et leur relation avec le domaine temporel.
Q: Comment mesurez-vous réellement les paramètres s?
R: En général, à l’exception des mesures approximatives, vous ne pouvez pas utiliser un analyseur de spectre seul pour ce test dans le domaine fréquentiel. Au lieu de cela, il existe deux classes d’instruments spécifiques et dédiées: l’analyseur de réseau, qui peut configurer et mesurer les paramètres s scalaires, et l’analyseur de réseau vectoriel (VNA), qui mesure également les paramètres s vectoriels (réels et imaginaires) (Figure 1).
Différents instruments sont disponibles pour une variété de plages de fréquences maximales, telles que jusqu’à 1 GHz, 10 GHz et même jusqu’à des dizaines de GHz. Bien sûr, le coût augmente à chaque augmentation de gamme. Il existe également des analyseurs à 4 ports pour les circuits différentiels.
Q : Quelle est la configuration physique à l’aide d’un VNA ?
A: Le VNA utilise une onde sinusoïdale précise et balaie la fréquence pendant qu’un récepteur à bande étroite suit la réponse d’entrée balayée. Ce récepteur à bande étroite atteint un faible bruit et une plage dynamique élevée du VNA. Cela semble assez simple, mais il y a beaucoup de subtilités et de complexités dans l’architecture interne, les composants et la réalisation des mesures. Comme le montre la figure 2, les paramètres s S11 = A / R1 et S21 = B / R1, et sont déterminés en mesurant l’amplitude et la phase des signaux de tension incidents (R1), réfléchis (A) et transmis (B) lorsque la sortie est terminée dans un Zo parfait, l’impédance caractéristique du système de test.
En raison de cette condition d’installation, il est garanti que R2 est nul car il n’y a pas de réflexion à partir d’une charge idéale. (Rappelons que S11 est équivalent au coefficient de réflexion complexe d’entrée ou à l’impédance du DUT, et S21 est le coefficient de transmission complexe direct.) De même, en plaçant la source sur le port 2 et en terminant le port 1 dans une charge parfaite (rendant R1 nul), des mesures S22 (= B/R2) et S12 (= A/R2) peuvent être effectuées. (encore une fois, rappelons que S22 est équivalent au coefficient de réflexion complexe de sortie ou à l’impédance de sortie du DUT, et S12 est le coefficient de transmission complexe inverse.)
Q : Quels sont les résultats typiques des paramètres s?
R: Il n’y a pas de résultats « typiques », mais il est intéressant de regarder certains cas « idéalisés » (Figure 3).
Q : Qui fabrique des ANV?
R : Il existe de nombreux fournisseurs; parmi eux, Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments et Tektronix. Il existe également de nombreux fournisseurs moins connus de VNA pour les basses fréquences où la technologie VNA sous-jacente et l’étalonnage ne sont pas aussi compliqués (mais ils sont encore assez avancés; ce n’est qu’une comparaison relative). Un VNA autonome coûte entre 5 000 $ et 50 000 $ selon la fréquence et les performances.
Cet analyseur de réseau vectoriel Keysight E5061B ENA (29 000$) gère des tests allant jusqu’à 3 GHz et offre une plage dynamique de 120 dB – une valeur importante pour des résultats précis. Il gère les arrangements d’impédance 50 Ω et 75 Ω via les connecteurs de classe GHz pour les deux ports du panneau avant (Figure 4).
Il existe également des VNA qui utilisent un boîtier frontal pour les fonctions RF / micro-ondes en conjonction avec un PC connecté via un port USB. Par exemple, le Tektronix TTR500 (9 000$) est un VNA de 100 kHz à 6 GHz avec une plage dynamique de plus de 122 dB, une puissance de sortie de -50 à + 7 dBm et un bruit de trace RMS < 0,008 dB (Figure 5).
En général, les VNA haute performance (tels que déterminés par la gamme de fréquences, la plage dynamique, le bruit de fond et d’autres spécifications) font partie de la classe d’équipement de test RF la plus coûteuse. Certains ANV peuvent également effectuer une mesure de réflectométrie dans le domaine temporel (TDR), ce qui permet une comparaison et une corrélation avec les mesures de l’ANV.
Q: Je vois des instruments de test appelés analyseurs de réseau portables offerts pour quelques milliers de dollars – puis-je les utiliser ici?
R : Cela dépend. La raison en est que le terme « analyseur de réseau » fait également référence à un instrument indépendant qui vérifie les performances d’une liaison de données ou d’un réseau de données et fournit des données telles que le taux d’erreur binaire (BER) par rapport au SNR. Mais il existe des analyseurs de réseau vectoriel robustes à moindre coût qui peuvent effectuer les mesures sur le terrain. Ceux-ci sont utilisés par les techniciens RF / micro-ondes pour la configuration, le réglage et le dépannage, mais ne sont généralement pas adéquats pour les efforts de conception initiaux.
(Notez que le terme « analyseur de réseau » est rarement abrégé en « NA » car cela pourrait également désigner des réseaux de communication ou même des paramètres optiques tels que l’ouverture numérique, alors que l’analyseur de réseau vectoriel est souvent appelé VNA – c’est juste une de ces choses.)
Q: Cela semble simple pour vous, mais pour le VNA, mais quelles sont les réalités?
R: Tout d’abord, toute mesure d’amplitude et de phase à des fréquences plus élevées est difficile et devient plus importante à mesure que la fréquence augmente. Pour les paramètres s, de légères erreurs ou déséquilibres dans la disposition de mesure peuvent entraîner des erreurs importantes dans le résultat final; les résultats des tests sont très sensibles aux imperfections des tests.
Q Quels sont les types d’erreurs?
R: Il existe trois grands types d’erreurs VNA: les erreurs système dans la configuration de l’analyseur et du test; elles sont cohérentes et peuvent être étalonnées dans une certaine mesure; les erreurs aléatoires de bruit de l’instrument (bruit de phase de la source, bruit de l’échantillonneur, bruit IF, etc.); et les erreurs de dérive, qui sont principalement causées par des variations de température; il peut également être retiré par étalonnage).
Q : En plus de développer de meilleurs instruments (vitesse, précision, bruit), que peut-on faire ?
R: Étant donné que les mesures des paramètres s sont sensibles aux erreurs internes, les VNA sont généralement utilisés avec un appareil d’étalonnage spécial, qui consiste en une charge connue. »Ce n’est pas seulement une simple résistance ou un autre appareil passif. Il s’agit d’un appareil soigneusement conçu et conçu avec des caractéristiques connues, et il est connecté au VNA via des paires de câbles appariés électriquement, avec des connecteurs RF adaptés à la fréquence d’intérêt.
Grâce à cet appareil, le VNA peut être calibré et même les changements de performances dus à la température peuvent être calibrés et compensés. Chaque appareil d’étalonnage est conçu pour une utilisation jusqu’à une fréquence maximale, comme ceux pour les fréquences plus élevées sont plus coûteux que ceux pour les fréquences plus basses. Les configurations et les séquences d’étalonnage peuvent être des opérations manuelles, mais beaucoup sont maintenant des opérations automatiques qui enregistrent les résultats et mettent en œuvre les facteurs de correction nécessaires.
Par exemple, le module d’étalonnage électronique RF Keysight 85096C est conçu pour un fonctionnement de 300 kHz à 3 GHz (Figure 6); il comprend des connexions de type N, 75 ohms, à 2 ports et est traçable à l’étalonnage NIST. Il se compose d’une interface USB pour le contrôle du PC ainsi que d’une commutation à semi-conducteurs afin qu’elle puisse être configurée selon les besoins pendant le processus d’étalonnage.
Q: Les paramètres S concernent le domaine fréquentiel, mais mon travail est également lié au domaine temporel – quelles sont mes options?
R : Il y a deux options. L’une consiste à convertir les données fréquentielles de la sortie VNA dans le domaine temporel via une transformée de Fourier rapide inverse (FFT). L’autre consiste à utiliser un oscilloscope et à capturer les données directement dans le domaine temporel via un oscilloscope à réflectométrie dans le domaine temporel (TDR). Cet instrument utilise une forme d’onde de pas rapide (générateur de pas) avec un dépassement minimal ainsi qu’un récepteur à large bande (échantillonneur) pour mesurer la réponse de pas. Il existe également des instruments combinés VNA / TDR car une grande partie des circuits et des interfaces physiques sont similaires.
Q: Quel est le meilleur: le VNA avec FFT, ou l’approche TDR?
R: La réponse dépend de nombreux facteurs tels que la fréquence d’intérêt, la bande passante, les niveaux de bruit, la plage dynamique, pour n’en citer que quelques-uns.
Q: Il y avait une mention du graphique de Smith plus tôt; quelle est la relation entre les paramètres s et le graphique de Smith?
R: Le diagramme de Smith est la représentation graphique la plus utilisée de l’impédance d’un dispositif RF ou d’un canal par rapport à la fréquence – et est utilisé depuis le milieu des années 1920.Bien que tracé initialement sur papier, il est maintenant également présenté sur l’écran d’un instrument VNA ou TDR. Les paramètres s peuvent être marqués directement sur le graphique de Smith pour obtenir un aperçu significatif des attributs des composants et du système (figure 7).
Cette FAQ a brièvement couvert un sujet très compliqué mais important des paramètres s et des problèmes connexes. Il existe de nombreuses bonnes références disponibles, allant des traitements académiques et de type manuel aux notes d’application des fournisseurs ainsi qu’aux explications informelles et moins intenses.
EE World Online References
Adaptation d’impédance et graphique de Smith, Partie 1
Adaptation d’impédance et Graphique de Smith, Partie 2
Cartes de circuits imprimés, Partie 4: Au-delà du FR-4
Composants micro-ondes passifs, Partie 1: isolateurs et circulateurs
Composants micro-ondes passifs, Partie 2: coupleurs et diviseurs
L’analyseur d’interconnexion rapide révèle les détails du domaine temporel et fréquentiel dans un traction de charge à acquisition unique
pour dispositifs RF, Partie 2: Comment et où
L’analyseur de réseau vectoriel à faible coût couvre jusqu’à 6 GHz
Les VNA sont mis à jour dans le domaine temporel, les outils de diagramme des yeux
Autres Références
- Electrical4U, « Paramètres hybrides ou paramètres h »
- Technologies Keysight, « Mesures des paramètres S: Notions de base pour les ingénieurs numériques à grande vitesse »
- Actes de la Conférence IEEE Aerospace, « Estimation de l’algorithme MUSICAL DoA pour l’emplacement des nœuds coopératifs dans les réseaux ad hoc mobiles »
- Site Web IN3OTD, « Mitsubishi RD16HHF1 LDMOS modèle S-paramètres de 50 MHz à 500 MHz »
- Microwaves101, « S-paramètres »
- Microwave Marki, « Quoi c’est l’accord avec les paramètres S? »
- En conformité, » Tutoriel sur les paramètres S – Partie I: Contexte fondamental »
- Université de Floride du Sud (via l’Université de l’Arizona du Nord), « Paramètres S »
- Tektronix, « Qu’est-ce qu’un Analyseur de réseau vectoriel et comment fonctionne-t-il? »