wat zijn de toepassingen en metingen van s-parameters? (Deel 2)
deel 1 van deze FAQ was een fundamentele inleiding tot de context en het concept van s-parameters. Deel 2 kijkt naar hun meting en toepassing en de relatie tot het tijddomein.
Q: Hoe meet u eigenlijk s-parameters?
A: in het algemeen kunt u, behalve bij benadering, voor deze frequentiedomeintest geen spectrumanalysator alleen gebruiken. In plaats daarvan zijn er twee specifieke categorieën instrumenten: de network analyzer, die de scalaire s-parameters kan instellen en meten, en de Vector network analyzer (VNA), die ook de vector (reële en imaginaire) s-parameters meet (figuur 1).
verschillende instrumenten zijn beschikbaar voor een verscheidenheid van maximale frequentiebereiken, zoals tot 1 GHz, 10 GHz, en zelfs in de tientallen GHz. Natuurlijk, de kosten gaat omhoog met elke verhoging van het bereik. Er zijn ook 4-poorts analyzers voor differentiële circuits.
Q: Wat is de fysieke opstelling met behulp van een VNA?
A: de VNA gebruikt een nauwkeurige sinusgolf en veegt de frequentie af, terwijl een smalbandontvanger de ingestelde ingangsrespons volgt. Deze smalband ontvanger behaalt een laag geluidsniveau en een hoog dynamisch bereik van de VNA. Het ziet er eenvoudig uit, maar er zijn veel subtiliteiten en complexiteiten in de interne architectuur, componenten en het daadwerkelijk maken van de metingen. Zoals aangegeven in (Figuur 2), worden de S-parameters S11 = A/R1 en S21=B/R1 bepaald door het meten van de omvang en de fase van het incident (R1), weerspiegeld (A) en verzonden (B) spanningssignalen wanneer de uitgang wordt beëindigd in een perfecte Zo, de karakteristieke impedantie van het testsysteem.
door deze instelconditie is R2 gegarandeerd nul omdat er geen reflectie is van een ideale belasting. (Bedenk dat S11 gelijk is aan de input complexe reflectiecoëfficiënt of impedantie van de DUT, en S21 is de forward complexe transmissiecoëfficiënt.) Evenzo, door de bron op poort 2 te plaatsen en poort 1 in een perfecte belasting te beëindigen (waardoor R1 nul wordt), kunnen S22 (=B/R2) en S12 (=A/R2) metingen worden uitgevoerd. (nogmaals, herinneren dat S22 gelijkwaardig is aan de output complexe reflectiecoëfficiënt of uitgangsimpedantie van de DUT, en S12 is de omgekeerde complexe transmissiecoëfficiënt.)
Q: Wat zijn enkele typische s-parameterresultaten?
A: Er zijn geen “typische” resultaten, maar het is interessant om enkele “geïdealiseerde” gevallen te bekijken (Figuur 3).
Q: wie maakt VNAs?
A: Er zijn veel verkopers; onder hen zijn Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments en Tektronix. Er zijn ook veel minder bekende leveranciers van VNA ‘ s voor de lagere frequenties waar de onderliggende VNA-technologie en kalibratie niet zo ingewikkeld zijn (maar het is nog steeds vrij geavanceerd; het is slechts een relatieve vergelijking). Een standalone VNA kost tussen de $ 5000 en $ 50.000, afhankelijk van de frequentie en de prestaties.
deze Keysight E5061B Ena Vector netwerk Analyzer ($29.000) verwerkt tot 3-GHz tests en beschikt over 120 dB dynamisch bereik – een belangrijk cijfer van Verdienste voor nauwkeurige resultaten. Het behandelt zowel 50 Ω als 75 Ω impedantie regelingen via de GHz-klasse connectoren voor de twee poorten op het voorpaneel (Figuur 4).
er zijn ook VNAs die gebruik maken van een front-end box voor de RF/magnetron functies in combinatie met een PC aangesloten via een USB-poort. Bijvoorbeeld, de Tektronix TTR500 ($9.000) is een 100 kHz tot 6 GHz VNA met meer dan 122 dB dynamisch bereik, -50 tot +7 dBm uitgangsvermogen, en < 0,008 dB RMS trace ruis, (Figuur 5).
over het algemeen behoren high-performance VNAs (zoals bepaald door frequentiebereik, dynamisch bereik, geluidsvloer en andere specificaties) tot de duurdere klasse van RF-testapparatuur. Sommige VNAs kunnen ook een tijddomein reflectometry (TDR) meting uitvoeren, die voor vergelijking en correlatie met de VNA metingen toestaat.
Q: Ik zie testinstrumenten genaamd draagbare netwerkanalysatoren aangeboden voor een paar duizend dollar-kan ik die hier gebruiken?
A: Het hangt ervan af. De reden is dat de term “network analyzer” ook verwijst naar een niet-gerelateerd instrument dat de prestaties van een datalink of datanetwerk controleert en gegevens zoals bit error rate (BER) versus SNR levert. Maar er zijn goedkopere, robuuste Vector netwerk analyzers die de metingen in het veld kunnen uitvoeren. Deze worden gebruikt door RF / microgolftechnici voor installatie, aanpassing en het oplossen van problemen, maar zijn meestal niet geschikt voor de eerste ontwerp inspanningen.
(merk op dat de term “network analyzer” zelden wordt afgekort als “NA” omdat dat ook kan verwijzen naar communicatienetwerken of zelfs optische parameters zoals numerieke diafragma, terwijl de vector netwerk analyzer vaak de VNA wordt genoemd – het is slechts een van die dingen.)
Q: dit lijkt rechttoe rechtaan één u maar de VNA, maar wat zijn de realiteiten?
A: Ten eerste is elke meting van amplitude en fase bij hogere frequenties een uitdaging en wordt deze groter naarmate de frequentie toeneemt. Voor s-parameters kunnen kleine fouten of onevenwichtigheden in de meetopstelling leiden tot significante fouten in het eindresultaat; de testresultaten zijn zeer gevoelig voor onvolkomenheden.
Q Wat zijn de soorten fouten?
A: Er zijn drie grote typen VNA-fouten: systeemfouten in de analysator en de testopstelling; deze zijn consistent en kunnen tot op zekere hoogte worden gekalibreerd; random errors instrumentruis (bronfaserruis, samplerruis, IF-ruis en meer); en driftfouten, die voornamelijk worden veroorzaakt door temperatuurvariaties; het kan ook worden verwijderd door kalibratie).
Q: Wat kan er naast de ontwikkeling van betere instrumenten (snelheid, precisie, geluid) worden gedaan?
A: omdat metingen van s-parameters gevoelig zijn voor interne fouten, worden VNAs meestal gebruikt met een speciale kalibratieopstelling, die bestaat uit een bekende belasting.”Dit is niet alleen een eenvoudige weerstand of een ander passief apparaat. Het is een zorgvuldig ontworpen en ontworpen armatuur met bekende kenmerken, en het is verbonden met de VNA via elektrisch afgestemde kabelparen, met RF-connectoren geschikt voor de frequentie van belang.
met behulp van dit armatuur kan de VNA worden gekalibreerd, en zelfs de verschuivingen in prestaties als gevolg van temperatuur kunnen worden gekalibreerd en gecompenseerd. Elke kalibratie armatuur is ontworpen voor gebruik tot een maximale frequentie, zoals die voor hogere frequenties zijn duurder dan die voor lagere. Kalibratie-set-ups en-sequenties kunnen handmatige bewerkingen zijn, maar veel van deze bewerkingen zijn nu automatische bewerkingen die resultaten registreren en de benodigde correctiefactoren implementeren.
de elektronische Kalibratiemodule Keysight 85096C RF is bijvoorbeeld ontworpen voor 300 kHz tot 3 GHz (Figuur 6); het bevat Type-N, 75 ohm, 2-poorts verbindingen en is traceerbaar naar NIST-kalibratie. Het bestaat uit een USB-interface voor PC-besturing samen met solid-state switching zodat het naar behoefte kan worden geconfigureerd tijdens het kalibratieproces.
V: S-parameters zijn voor het frequentiedomein, maar mijn werk is ook tijddomein gerelateerd-wat zijn mijn opties?
A: Er zijn twee opties. Een daarvan is het omzetten van de frequentiegegevens van de VNA-uitgang naar het tijddomein via een inverse fast Fourier transform (FFT). De andere is om een oscilloscoop te gebruiken en de gegevens direct in het tijddomein vast te leggen via een tijddomein reflectometrie (TDR) oscilloscoop. Dit instrument maakt gebruik van een snelle stap golfvorm (step generator) met minimale overshoot samen met een breedband ontvanger (sampler) om stap respons te meten. Er zijn ook gecombineerde VNA / TDR instrumenten omdat veel van de circuits, en fysieke interfaces zijn vergelijkbaar.
Q: Wat is beter: de VNA met FFT, of de TDR-benadering?
A: het antwoord hangt af van vele factoren zoals frequentie van belang, bandbreedte, geluidsniveaus, dynamisch bereik, om er maar een paar te noemen.
V: eerder werd de Smith-grafiek genoemd; wat is de relatie tussen S-parameters en de Smith-grafiek?
A: De Smith-grafiek is de meest gebruikte grafische weergave van de impedantie van een RF — apparaat of kanaal versus frequentie-en wordt sinds het midden van de jaren 1920 gebruikt. hoewel aanvankelijk op papier uitgezet, wordt het nu ook op het scherm van een VNA-of TDR-instrument weergegeven. De S-parameters kunnen direct op de Smith grafiek worden gemarkeerd voor significant inzicht in component en systeem attributen (Figuur 7).
deze FAQ heeft kort een zeer ingewikkeld maar belangrijk onderwerp van s-parameters en aanverwante kwesties behandeld. Er zijn veel goede referenties beschikbaar, variërend van academische en leerboek-type behandelingen om leverancier application notes evenals informele, minder intense uitleg.
EE World Online Referenties
Impedantie matching en de Smith chart, Deel 1
Impedantie matching en de Smith Chart, Deel 2
Printed Circuit Boards, Deel 4: Beyond FR-4
Passieve magnetron onderdelen, Deel 1: isolatoren en circulatiepompen
Passieve magnetron onderdelen, Deel 2: koppelingen en splitters
Snel interconnect analyzer onthult tijd – en frequentie-domein details in een enkele transactie
Laden trek voor RF-apparaten, Deel 2: Hoe en waar
Goedkope Vectornetwerkanalysator tot 6 GHz
vnas get updated time domain, eye diagram tools
andere referenties
- Electrical4U,”Hybrid Parameters or H Parameters”
- Keysight Technologies, ” s-Parameter measures: Basics for High Speed Digital Engineers ”
- IEEE Aerospace Conference Proceedings,”MUSIC algorithm Doa estimation for cooperative node location in mobile ad hoc networks”
- IN3OTD website, “Mitsubishi RD16HHF1 LDMOS model S-parameters van 50 MHz tot 500 MHz”
- Microwaves101,”s-parameters “
- Marki Microwave, “What’ s the deal with S-parameters?”
- In Compliance, ” S-Parameters Tutorial-Part I: Fundamental Background ”
- University of South Florida (via Northern Arizona University),”s-Parameters “
- Tektronix, ” What is a Vector Network Analyzer and how does it work?”