Was sind die Anwendungen und Messungen von S-Parametern? (Teil 2)
Teil 1 dieser FAQ war eine grundlegende Einführung in den Kontext und das Konzept von s-Parametern. Teil 2 befasst sich mit ihrer Messung und Anwendung und Beziehung zum Zeitbereich.
F: Wie messen Sie eigentlich s-Parameter?
A: Im Allgemeinen können Sie außer für ungefähre Messungen keinen Spektrumanalysator allein für diesen Frequenzbereichstest verwenden. Stattdessen gibt es zwei dedizierte, spezifische Klassen von Instrumenten: der Netzwerkanalysator, der die skalaren s-Parameter einrichten und messen kann, und der Vektor-Netzwerkanalysator (VNA), der auch die Vektor- (realen und imaginären) s-Parameter misst (Abbildung 1).
Es stehen verschiedene Instrumente für eine Vielzahl von maximalen Frequenzbereichen zur Verfügung, z. B. bis zu 1 GHz, 10 GHz und sogar bis in den Zehn-GHz-Bereich. Natürlich steigen die Kosten mit jeder Erhöhung der Reichweite. Es gibt auch 4-Port-Analysatoren für Differentialschaltungen.
F: Wie ist die physische Einrichtung mit einem VNA?
A: Die VNA verwendet eine präzise sinus welle und sweeps die frequenz als schmale-band empfänger tracks die sweeped eingang antwort. Dieser schmalbandige Empfänger erreicht ein geringes Rauschen und einen hohen Dynamikbereich des VNA. Es sieht einfach genug aus, aber es gibt viele Feinheiten und Komplexitäten in der internen Architektur, den Komponenten und der tatsächlichen Durchführung der Messungen. Wie gezeigt in (Abbildung 2), s-Parameter S11 = A/ R1 und S21=B/ R1, und werden durch Messen der Größe und Phase des einfallenden bestimmt (R1), reflektiert (EIN) und übertragen (B) Spannungssignale, wenn der Ausgang in einem perfekten Zo beendet, die charakteristische Impedanz des Testsystems.
Aufgrund dieser Einstellbedingung ist garantiert, dass R2 Null ist, da es keine Reflexion von einer idealen Last gibt. (Daran erinnern, dass S11 ist äquivalent zu die eingang komplexe reflexion koeffizienten oder impedanz der DUT, und S21 ist die vorwärts komplexe übertragung koeffizienten.) In ähnlicher Weise können S22 (= B / R2) und S12 (= A / R2) Messungen durchgeführt werden, indem die Quelle an Port 2 platziert und Port 1 in einer perfekten Last beendet wird (wodurch R1 Null wird). (erinnern Sie sich erneut daran, dass S22 dem komplexen Reflexionskoeffizienten oder der Ausgangsimpedanz des Prüflings entspricht und S12 der umgekehrte komplexe Transmissionskoeffizient ist.)
Q: Was sind einige typische s-parameter ergebnisse?
A: Es gibt keine „typischen“ Ergebnisse, aber es ist interessant, einige „idealisierte“ Fälle zu betrachten (Abbildung 3).
F: Wer macht vNAS?
A: Es gibt viele Anbieter; unter ihnen sind Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments und Tektronix. Es gibt auch viele weniger bekannte Anbieter von vNAS für die niedrigeren Frequenzen, bei denen die zugrunde liegende VNA-Technologie und Kalibrierung nicht so kompliziert sind (aber es ist immer noch ziemlich weit fortgeschritten; es ist nur ein relativer Vergleich). Ein eigenständiger VNA kostet je nach Frequenz und Leistung zwischen 5000 und 50.000 US-Dollar.
Dieser Keysight E5061B ENA Vector Network Analyzer ($ 29,000) verarbeitet bis zu 3-GHz–Tests und verfügt über einen Dynamikbereich von 120 dB – eine wichtige Kennzahl für genaue Ergebnisse. Es verarbeitet sowohl 50 Ω- als auch 75 Ω-Impedanzanordnungen über die GHz-Klasse-Anschlüsse für die beiden Anschlüsse auf der Vorderseite (Abbildung 4).
Es gibt auch vNAS, die eine Front-End-Box für die HF- / Mikrowellenfunktionen in Verbindung mit einem über einen USB-Anschluss angeschlossenen PC verwenden. Der Tektronix TTR500 (9.000 US-Dollar) ist beispielsweise ein 100-kHz- bis 6-GHz-VNA mit einem Dynamikbereich von über 122 dB, einer Ausgangsleistung von -50 bis + 7 dBm und einem Trace-Rauschen von < 0,008 dB RMS (Abbildung 5).
Im Allgemeinen gehören Hochleistungs-vNAS (bestimmt durch Frequenzbereich, Dynamikbereich, Grundrauschen und andere Spezifikationen) zur teureren Klasse von HF-Testgeräten. Einige vNAS können auch eine TDR-Messung (Time Domain Reflectometry) durchführen, die einen Vergleich und eine Korrelation mit den VNA-Messungen ermöglicht.
F: Ich sehe Testinstrumente, die tragbare Netzwerkanalysatoren genannt werden, die für ein paar tausend Dollar angeboten werden – kann ich diese hier verwenden?
A: Es kommt darauf an. Der Grund dafür ist, dass sich der Begriff „Netzwerkanalysator“ auch auf ein nicht verwandtes Instrument bezieht, das die Leistung einer Datenverbindung oder eines Datennetzwerks überprüft und Daten wie die Bitfehlerrate (BER) gegenüber SNR bereitstellt. Es gibt jedoch kostengünstigere, robuste Vektornetzwerkanalysatoren, die die Messungen vor Ort durchführen können. Diese werden von HF- / Mikrowellentechnikern zur Einrichtung, Einstellung und Fehlerbehebung verwendet, sind jedoch für die anfänglichen Entwurfsanstrengungen normalerweise nicht ausreichend.
(Beachten Sie, dass der Begriff „Netzwerkanalysator“ selten als „NA“ abgekürzt wird, da sich dies auch auf Kommunikationsnetze oder sogar optische Parameter wie die numerische Apertur beziehen kann, während der Vektornetzwerkanalysator oft als VNA bezeichnet wird – es ist nur eines dieser Dinge.)
F: Das scheint für euch, außer der VNA, einfach zu sein, aber was sind die Realitäten?
A: Erstens ist jede Messung von Amplitude und Phase bei höheren Frequenzen eine Herausforderung und wird mit zunehmender Frequenz noch schwieriger. Bei s-Parametern können geringfügige Fehler oder Ungleichgewichte in der Messanordnung zu erheblichen Fehlern im Endergebnis führen; Die Testergebnisse sind sehr empfindlich gegenüber Testfehlern.
Q Was sind die Arten von Fehlern?
A: Es gibt drei große Arten von VNA-Fehlern: Systemfehler im Analysator und Testaufbau; Diese sind konsistent und können bis zu einem gewissen Grad kalibriert werden; zufällige Fehler Instrumentenrauschen (Quellphasenrauschen, Samplerrauschen, ZF-Rauschen und mehr); und Driftfehler, die hauptsächlich durch Temperaturschwankungen verursacht werden; es kann auch durch Kalibrierung entfernt werden).
F: Was kann man zusätzlich zur Entwicklung besserer Instrumente (Geschwindigkeit, Präzision, Rauschen) tun?
A: Da s-Parameter-Messungen empfindlich auf interne Fehler reagieren, werden vNAS normalerweise mit einer speziellen Kalibriervorrichtung verwendet, die aus einer bekannten „Last“ besteht.“ Dies ist nicht nur ein einfacher Widerstand oder ein anderes passives Gerät. Es ist eine sorgfältig entworfene und ausgeführte Befestigung mit bekannten Eigenschaften, und es wird an den VNA über elektrisch zusammenpassende Kabelpaare, mit den RF-Verbindungsstücken angeschlossen, die für die Frequenz des Interesses passend sind.
Mit diesem Gerät kann der VNA kalibriert und sogar temperaturbedingte Leistungsverschiebungen kalibriert und kompensiert werden. Jede Kalibriervorrichtung ist für den Einsatz bis zu einer maximalen Frequenz ausgelegt, da solche für höhere Frequenzen teurer sind als solche für niedrigere. Kalibrierungseinstellungen und -sequenzen können manuelle Vorgänge sein, aber viele sind jetzt automatische Vorgänge, die Ergebnisse aufzeichnen und die erforderlichen Korrekturfaktoren implementieren.
Das elektronische RF-Kalibrierungsmodul Keysight 85096C ist beispielsweise für den Betrieb mit 300 kHz bis 3 GHz ausgelegt (Abbildung 6); es umfasst Typ-N, 75 Ohm, 2-Port-Verbindungen und ist auf die NIST-Kalibrierung rückführbar. Es besteht aus einer USB-Schnittstelle für die PC-Steuerung zusammen mit Solid-State-Switching, so dass es während des Kalibrierungsprozesses nach Bedarf konfiguriert werden kann.
F: S-Parameter sind für den Frequenzbereich, aber meine Arbeit ist auch zeitbereichsbezogen – was sind meine Optionen?
A: Es gibt zwei Möglichkeiten. Eine besteht darin, die Frequenzdaten des VNA-Ausgangs über eine inverse Fast-Fourier-Transformation (FFT) in den Zeitbereich zu konvertieren. Die andere besteht darin, ein Oszilloskop zu verwenden und die Daten direkt im Zeitbereich über ein TDR-Oszilloskop (Time Domain Reflectometry) zu erfassen. Dieses instrument verwendet eine schnelle schritt wellenform (schritt generator) mit minimalen überschwingen zusammen mit einem breitband empfänger (sampler) zu messen schritt antwort. Es gibt auch kombinierte VNA / TDR-Instrumente, da ein Großteil der Schaltungen und physikalischen Schnittstellen ähnlich sind.
F: Was ist besser: der VNA mit FFT oder der TDR-Ansatz?
A: Die Antwort hängt von vielen Faktoren ab, wie Frequenz von Interesse, Bandbreite, Geräuschpegel, Dynamikbereich, um nur einige zu nennen.
F: Das Smith-Diagramm wurde früher erwähnt; Wie ist die Beziehung zwischen s-Parametern und dem Smith-Diagramm?
A: Das Smith-Diagramm ist die am häufigsten verwendete grafische Darstellung der Impedanz eines HF—Geräts oder -Kanals gegenüber der Frequenz – und wird seit Mitte der 1920er Jahre verwendet. Obwohl ursprünglich auf Papier gezeichnet, wird es jetzt natürlich auch auf dem Bildschirm eines VNA- oder TDR-Instruments dargestellt. Die s-Parameter können direkt auf dem Smith-Diagramm markiert werden, um einen signifikanten Einblick in Komponenten- und Systemattribute zu erhalten (Abbildung 7).
Diese FAQ hat kurz ein sehr kompliziertes, aber wichtiges Thema von s-Parametern und verwandten Problemen behandelt. Es gibt viele gute Referenzen, die von akademischen und lehrbuchartigen Behandlungen über Anwendungshinweise des Anbieters bis hin zu informellen, weniger intensiven Erklärungen reichen.
EE World Online References
Impedanzanpassung und das Smith-Diagramm, Teil 1
Impedanzanpassung und das Smith-Diagramm, Teil 2
Leiterplatten, Teil 4: Jenseits von FR-4
Passive Mikrowellenkomponenten, Teil 1: Isolatoren und Zirkulatoren
Passive Mikrowellenkomponenten, Teil 2: Koppler und Splitter
Der Fast Interconnect Analyzer zeigt Zeit- und Frequenzbereichsdetails auf einfache Weise Einzelerfassung
Lastzug für HF-Geräte, Teil 2: Wie und wo
Low-Cost Vector Network Analyzer deckt bis zu 6 GHz
vNAS erhalten aktualisiert zeit domain, auge diagramm werkzeuge
Andere Referenzen
- Electrical4U, „Hybrid Parameter oder h Parameter“
- Keysight Technologies, „S-Parameter Messungen: Grundlagen für High Speed Digital Engineers“
- IEEE Aerospace Conference Proceedings, „MUSIK algorithmus DoA schätzung für kooperative knoten lage in mobile ad hoc netzwerke“
- IN3OTD website, „Mitsubishi RD16HHF1 LDMOS modell S-parameter von 50 MHz zu 500 MHz“
- Microwaves101, „S-parameter“
- Marki Mikrowelle, „Was ist der Deal mit S-Parametern?“
- In Übereinstimmung, „S-Parameter Tutorial – Teil I: Grundlegender Hintergrund“
- University of South Florida (via Northern Arizona University), „S-Parameter“
- Tektronix, „Was ist ein Vektor-Netzwerkanalysator und wie funktioniert er?“