jakie są zastosowania i pomiary parametrów S? (Część 2)
Część 1 tego FAQ była podstawowym wprowadzeniem do kontekstu i koncepcji s-parametrów. Część 2 patrzy na ich pomiar i zastosowanie oraz związek z dziedziną czasu.
P: jak właściwie mierzysz s-parametry?
A: ogólnie rzecz biorąc, z wyjątkiem przybliżonych pomiarów, nie można używać analizatora widma do tego testu w dziedzinie częstotliwości. Zamiast tego istnieją dwie dedykowane, specyficzne klasy instrumentów: analizator sieci, który może ustawiać i mierzyć skalarne parametry s, oraz analizator sieci wektorowej (VNA), który również mierzy wektorowe (rzeczywiste i urojone) parametry s (Rysunek 1).
dostępne są różne instrumenty dla różnych maksymalnych zakresów częstotliwości, takich jak do 1 GHz, 10 GHz, a nawet do dziesiątek GHz. Oczywiście, koszt idzie w górę z każdym wzrostem zasięgu. Istnieją również 4-portowe analizatory układów różnicowych.
P: Jaka jest fizyczna konfiguracja przy użyciu VNA?
A: VNA używa precyzyjnej fali sinusoidalnej i wymiata częstotliwość, ponieważ wąskopasmowy odbiornik śledzi zamiataną odpowiedź wejściową. Ten wąskopasmowy odbiornik osiąga niski poziom szumów i wysoki zakres dynamiczny VNA. Wygląda to dość prosto, ale jest wiele subtelności i zawiłości w wewnętrznej architekturze, komponentach i faktycznie dokonywaniu pomiarów. Jak pokazano na (Rysunek 2), S-parametry S11 = a/R1 i S21=B/R1 i są określone przez pomiar wielkości i fazy incydentu (R1), odbite (A) i transmitowane (B) sygnały napięciowe, gdy wyjście jest zakończone w idealnym Zo, impedancja charakterystyczna układu badawczego.
ze względu na ten stan konfiguracji, gwarantuje się, że R2 wynosi zero, ponieważ nie ma odbicia od idealnego obciążenia. (Przypomnijmy, że S11 jest równoważny wejściowemu złożonemu współczynnikowi odbicia lub impedancji DUT, a S21 jest współczynnikiem transmisji złożonej do przodu.) Podobnie, umieszczając źródło na porcie 2 i kończąc port 1 w idealnym obciążeniu (tworząc R1 zero), można dokonać pomiarów S22 (=B/R2) i S12 (=a/R2). (ponownie, przypomnijmy, że S22 jest równoważny wyjściowemu złożonemu współczynnikowi odbicia lub impedancji wyjściowej DUT, a S12 jest odwrotnym złożonym współczynnikiem transmisji.)
P: Jakie są typowe wyniki s-parametru?
A: nie ma „typowych” wyników, ale interesujące jest spojrzenie na niektóre „wyidealizowane” przypadki (Rysunek 3).
P: kto produkuje VNA?
Odp: jest wielu sprzedawców; wśród nich są Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments i Tektronix. Istnieje również wielu mniej znanych dostawców VNA dla niższych częstotliwości, gdzie podstawowa technologia VNA i kalibracja nie są tak skomplikowane (ale wciąż są dość zaawansowane; to tylko względne porównanie). Samodzielna VNA kosztuje od 5000 do 50 000 USD w zależności od częstotliwości i wydajności.
ten Analizator sieciowy Keysight E5061B ENA Vector ($29,000) obsługuje testy do 3 GHz i oferuje 120 dB zakresu dynamicznego-ważną wartość dla dokładnych wyników. Obsługuje zarówno impedancję 50 Ω, jak i 75 Ω poprzez złącza klasy GHz dla dwóch portów na przednim panelu (ryc. 4).
istnieją również VNA, które wykorzystują skrzynkę front-end dla funkcji RF / microwave w połączeniu z komputerem podłączonym przez port USB. Na przykład Tektronix Ttr500 ($9,000) jest VNA 100 kHz do 6 GHz z ponad 122 dB zakres dynamiki, -50 do + 7 dBm moc wyjściowa, i < 0.008 dB RMS śledzenia szumów, (Rysunek 5).
ogólnie rzecz biorąc, wysokowydajne VNA (określone przez Zakres częstotliwości, zakres dynamiki, poziom hałasu i inne specyfikacje) należą do droższych klas urządzeń do testowania RF. Niektóre VNA mogą również wykonywać pomiar reflectometrii w dziedzinie czasu (TDR), co pozwala na porównanie i korelację z pomiarami VNA.
P: widzę urządzenia testowe o nazwie przenośne analizatory sieciowe oferowane za kilka tysięcy dolarów-czy mogę ich użyć tutaj?
Odp: to zależy. Powodem jest to, że termin „analizator sieci” odnosi się również do niepowiązanego instrumentu, który sprawdza wydajność łącza danych lub sieci danych i dostarcza danych, takich jak Bit error rate (BER) vs SNR. Istnieją jednak tańsze, wytrzymałe analizatory sieci wektorowych, które mogą wykonywać pomiary w terenie. Są one używane przez techników RF/mikrofalowych do konfiguracji, regulacji i rozwiązywania problemów, ale zwykle nie są odpowiednie dla początkowych wysiłków projektowych.
(zauważ, że termin „analizator sieci” jest rzadko skracany jako „NA”, ponieważ może to również odnosić się do sieci komunikacyjnych lub nawet parametrów optycznych, takich jak Apertura numeryczna, podczas gdy analizator sieci wektorowych jest często nazywany VNA – to tylko jedna z tych rzeczy.)
P: to wydaje się proste, ale VNA, ale jakie są realia?
A: po pierwsze, każdy pomiar amplitudy i fazy przy wyższych częstotliwościach jest trudny i staje się coraz większy wraz ze wzrostem częstotliwości. W przypadku parametrów s niewielkie błędy lub nierównowagi w układzie pomiarowym mogą spowodować znaczące błędy w wyniku końcowym; wyniki badań są bardzo wrażliwe na niedoskonałości testu.
Q jakie są rodzaje błędów?
a: istnieją trzy ogólne typy błędów VNA: błędy systemowe w analizatorze i konfiguracji testowej; są one spójne i mogą być w pewnym stopniu kalibrowane; losowe błędy szum instrumentu (szum fazy źródłowej, szum próbnika, szum IF I INNE); i błędy dryfu, które są głównie spowodowane zmiennością temperatury; można go również usunąć przez kalibrację).
P: co można zrobić oprócz tworzenia lepszych instrumentów (szybkość, precyzja, hałas)?
A: ponieważ pomiary parametrów s są wrażliwe na błędy wewnętrzne, VNA są zwykle używane ze specjalnym uchwytem kalibracyjnym, który składa się ze znanego ” obciążenia.”To nie jest zwykły Rezystor czy inne urządzenie pasywne. Jest to starannie zaprojektowane i zaprojektowane urządzenie o znanych właściwościach i jest połączone z VNA za pomocą elektrycznie dopasowanych par kabli, ze złączami RF odpowiednimi dla częstotliwości zainteresowania.
za pomocą tego urządzenia można skalibrować VNA, a nawet zmiany wydajności spowodowane temperaturą można skalibrować i skompensować. Każde urządzenie kalibracyjne jest przeznaczone do użytku z maksymalną częstotliwością, podobnie jak te dla wyższych częstotliwości są bardziej kosztowne niż te dla niższych. Ustawienia kalibracji i sekwencje mogą być operacjami ręcznymi, ale wiele z nich jest teraz operacjami automatycznymi, które rejestrują wyniki i wdrażają wymagane Współczynniki korekcji.
na przykład Elektroniczny Moduł kalibracyjny Keysight 85096C RF jest przeznaczony do pracy w zakresie od 300 kHz do 3 GHz (Rysunek 6); zawiera Typ-N, 75 omów, 2-portowe połączenia i jest identyfikowalny do kalibracji NIST. Składa się z interfejsu USB do sterowania komputerem PC wraz z przełączaniem półprzewodnikowym, dzięki czemu można go skonfigurować w razie potrzeby podczas procesu kalibracji.
P: S-parametry są dla domeny częstotliwości, ale moja praca jest również związana z domeną czasową-jakie są moje opcje?
A: są dwie opcje. Jednym z nich jest konwersja danych częstotliwości wyjścia VNA do dziedziny czasu za pomocą odwrotnej szybkiej transformacji Fouriera (FFT). Drugim jest użycie oscyloskopu i przechwytywanie danych bezpośrednio w domenie czasu za pomocą oscyloskopu refleksyjnego (TDR). Ten instrument wykorzystuje szybki przebieg krokowy (generator kroków) z minimalnym przekroczeniem wraz z odbiornikiem szerokopasmowym (samplerem) do pomiaru odpowiedzi kroku. Istnieją również połączone Instrumenty VNA / TDR, ponieważ wiele obwodów i interfejsów fizycznych jest podobnych.
P: co jest lepsze: VNA z FFT, czy podejście TDR?
A: odpowiedź zależy od wielu czynników, takich jak częstotliwość zainteresowania, przepustowość, poziom hałasu, zakres dynamiczny, aby wymienić tylko kilka.
P: wcześniej wspomniano o wykresie Smitha; jaka jest zależność między parametrami s a wykresem Smitha?
A: Wykres Smitha jest najczęściej używaną graficzną reprezentacją impedancji urządzenia RF lub kanału w stosunku do częstotliwości-i był używany od połowy lat 20. XX wieku.chociaż początkowo wykreślony na papierze, oczywiście jest teraz również prezentowany na ekranie instrumentu VNA lub TDR. Parametry s mogą być oznaczone bezpośrednio na wykresie Smitha, aby uzyskać znaczący wgląd w atrybuty komponentów i systemów (Rysunek 7).
w tym FAQ krótko omówiono bardzo skomplikowany, ale ważny temat parametrów s i związanych z nimi problemów. Dostępnych jest wiele dobrych referencji, od zabiegów akademickich i podręcznikowych po notatki aplikacyjne dostawców, a także nieformalne, mniej intensywne wyjaśnienia.
Referencje EE World Online
dopasowanie impedancji i wykres Smitha, Część 1
dopasowanie impedancji i wykres Smitha, część 2
Płytki drukowane, Część 4: Poza FR-4
pasywne komponenty mikrofalowe, Część 1: izolatory i cyrkulatory
pasywne komponenty mikrofalowe, część 2: łączniki i splittery
szybki analizator połączeń ujawnia szczegóły dotyczące dziedziny czasu i częstotliwości w pojedynczej akwizycji
obciążenie dla urządzeń RF, część 2: Jak i gdzie
Tani wektorowy analizator sieci obejmuje do 6 GHz
VNAs uzyskaj zaktualizowaną domenę czasu, Narzędzia diagramu oka
inne odniesienia
- Electrical4U,”parametry Hybrydowe lub parametry H”
- Keysight Technologies, ” pomiary parametrów s: Podstawy dla szybkich inżynierów cyfrowych”
- Materiały konferencyjne IEEE Aerospace, „algorytm muzyczny Doa estimation for cooperative node location in mobile ad hoc networks”
- strona IN3OTD, „Mitsubishi Rd16hhf1 LDMOS model S-parametry od 50 MHz do 500 MHz”
- Mikrofale101, „s-parametry”
- Marki Microwave, „o co chodzi z parametrami s?”
- In Compliance, ” S-Parametry Tutorial-Część I: Podstawowe informacje”
- University of South Florida (via Northern Arizona University), „s-Parameters”
- Tektronix, „co to jest analizator sieci wektorowych i jak działa?”