Quali sono le applicazioni e le misure dei parametri S? (Parte 2)
La parte 1 di questa FAQ era un’introduzione di base al contesto e al concetto di s-parameters. La parte 2 esamina la loro misurazione, applicazione e relazione con il dominio del tempo.
D: Come si misurano effettivamente i parametri s?
A: In generale, ad eccezione di misurazioni approssimative, non è possibile utilizzare un analizzatore di spettro da solo per questo test del dominio di frequenza. Invece, ci sono due classi dedicate e specifiche di strumenti: l’analizzatore di rete, che può impostare e misurare i parametri s scalari, e l’analizzatore di rete vettoriale (VNA), che misura anche i parametri s vettoriali (reali e immaginari) (Figura 1).
Sono disponibili diversi strumenti per una varietà di gamme di frequenza massima, come fino a 1 GHz, 10 GHz e persino nelle decine di GHz. Naturalmente, il costo aumenta con ogni aumento della gamma. Ci sono anche analizzatori a 4 porte per circuiti differenziali.
D: Qual è il set-up fisico utilizzando un VNA?
A: Il VNA utilizza una precisa onda sinusoidale e spazza la frequenza come un ricevitore a banda stretta tiene traccia della risposta di ingresso spazzato. Questo ricevitore a banda stretta raggiunge la gamma dinamica a basso rumore ed alta del VNA. Sembra abbastanza semplice, ma ci sono molte sottigliezze e complessità nell’architettura interna, nei componenti e nella realizzazione delle misurazioni. Come mostrato in (Figura 2), s-parametri S11 = A/R1 e S21=B/R1, e sono determinati misurando la grandezza e la fase dell’incidente (R1), riflessa (A) e trasmessa (B) segnali di tensione quando l’uscita è terminata in un perfetto Zo, l’impedenza caratteristica del sistema di prova.
A causa di questa condizione di set-up, è garantito che R2 è zero poiché non vi è alcuna riflessione da un carico ideale. (Ricordiamo che S11 è equivalente al coefficiente di riflessione complesso di ingresso o impedenza del DUT, e S21 è il coefficiente di trasmissione complesso in avanti.) Allo stesso modo, posizionando la sorgente alla porta 2 e terminando la porta 1 in un carico perfetto (rendendo R1 zero), è possibile effettuare misurazioni S22 (=B/R2) e S12 (=A/R2). (ancora una volta, ricordiamo che S22 è equivalente al coefficiente di riflessione complesso di uscita o impedenza di uscita del DUT, e S12 è il coefficiente di trasmissione complesso inverso.)
D: Quali sono alcuni tipici risultati dei parametri s?
R: Non ci sono risultati “tipici”, ma è interessante osservare alcuni casi” idealizzati ” (Figura 3).
Q: Chi fa VNA?
A: Ci sono molti fornitori; tra questi ci sono Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments e Tektronix. Ci sono anche molti fornitori meno noti di VNA per le frequenze più basse in cui la tecnologia VNA sottostante e la calibrazione non sono così complicate (ma è ancora abbastanza avanzata; è solo un confronto relativo). Un VNA autonomo costa tra $5000 e $50.000 a seconda della frequenza e delle prestazioni.
Questo analizzatore di rete vettoriale Keysight E5061B EN ($29.000) gestisce test fino a 3 GHz e dispone di 120 dB di gamma dinamica-un’importante cifra di merito per risultati accurati. Gestisce sia le disposizioni di impedenza 50 Ω che 75 Ω tramite i connettori di classe GHz per le due porte sul pannello frontale (Figura 4).
Ci sono anche VNA che utilizzano una scatola front-end per le funzioni RF/microonde in combinazione con un PC collegato tramite una porta USB. Ad esempio, Tektronix TTR500 ($9.000) è un VNA da 100 kHz a 6 GHz con oltre 122 dB di gamma dinamica, da -50 a +7 dBm di potenza in uscita e < 0,008 dB di rumore di traccia RMS (Figura 5).
In generale, VNA ad alte prestazioni (come determinato dalla gamma di frequenza, gamma dinamica, rumore di fondo, e altre specifiche) sono tra la classe più costosa di apparecchiature di prova RF. Alcuni VNA possono anche eseguire una misurazione TDR (Time Domain Reflectometry), che consente il confronto e la correlazione con le misurazioni VNA.
D: Vedo strumenti di test chiamati analizzatori di rete portatili offerti per poche migliaia di dollari-posso usare quelli qui?
A: Dipende. Il motivo è che il termine “analizzatore di rete” si riferisce anche a uno strumento non correlato che controlla le prestazioni di un collegamento dati o di una rete dati e fornisce dati come bit Error rate (BER) rispetto a SNR. Ma ci sono analizzatori di rete vettoriale a basso costo e rinforzati in grado di eseguire le misurazioni sul campo. Questi sono utilizzati dai tecnici RF / microonde per l’installazione, la regolazione e la risoluzione dei problemi, ma di solito non sono adeguati per gli sforzi iniziali di progettazione.
(Si noti che il termine “analizzatore di rete” è raramente abbreviato in “NA” poiché potrebbe anche riferirsi a reti di comunicazione o anche a parametri ottici come l’apertura numerica, mentre l’analizzatore di rete vettoriale è spesso chiamato VNA – è solo una di quelle cose.)
D: Questo sembra semplice uno voi, ma il VNA, ma quali sono le realtà?
A: In primo luogo, qualsiasi misura di ampiezza e di fase a frequenze più alte è impegnativo e diventa più così come la frequenza aumenta. Per i parametri s, lievi errori o squilibri nella disposizione di misurazione possono causare errori significativi nel risultato finale; i risultati del test sono altamente sensibili alle imperfezioni del test.
D Quali sono i tipi di errori?
A: Ci sono tre grandi tipi di errori VNA: errori di sistema nell’analizzatore e nella configurazione del test; questi sono coerenti e possono essere calibrati in una certa misura; errori casuali rumore dello strumento (rumore di fase sorgente, rumore del campionatore, rumore IF e altro); e errori di deriva, che sono principalmente causati dalla variazione di temperatura; può anche essere rimosso mediante calibrazione).
D: Oltre a sviluppare strumenti migliori (velocità, precisione, rumore), cosa si può fare?
A: Poiché le misurazioni dei parametri s sono sensibili agli errori interni, i VNA di solito vengono utilizzati con uno speciale dispositivo di calibrazione, che consiste in un “carico” noto.”Questo non è solo un semplice resistore o altro dispositivo passivo. È un apparecchio accuratamente progettato e progettato con caratteristiche note, ed è collegato al VNA tramite coppie di cavi accoppiati elettricamente, con connettori RF adatti alla frequenza di interesse.
Utilizzando questo apparecchio, il VNA può essere calibrato, e anche i cambiamenti nelle prestazioni a causa della temperatura può essere calibrato e compensato. Ogni apparecchio di calibrazione è progettato per l’utilizzo fino ad una frequenza massima, come quelli per le frequenze più alte sono più costosi di quelli per quelli più bassi. Le impostazioni e le sequenze di calibrazione possono essere operazioni manuali, ma molte sono ora operazioni automatiche che registrano i risultati e implementano i fattori di correzione necessari.
Ad esempio, il modulo di calibrazione elettronica RF Keysight 85096C è progettato per il funzionamento da 300 kHz a 3 GHz (Figura 6); include Tipo-N, 75 ohm, connessioni a 2 porte ed è tracciabile alla calibrazione NIST. Si compone di un’interfaccia USB per il controllo del PC con commutazione a stato solido in modo che possa essere configurato come necessario durante il processo di calibrazione.
D: I parametri S sono per il dominio della frequenza, ma il mio lavoro è anche correlato al dominio del tempo-quali sono le mie opzioni?
A: Ci sono due opzioni. Uno è quello di convertire i dati di frequenza dell’uscita VNA nel dominio del tempo tramite una trasformata di Fourier veloce inversa (FFT). L’altro è quello di utilizzare un oscilloscopio e catturare i dati direttamente nel dominio del tempo tramite un oscilloscopio riflettometria del dominio del tempo (TDR). Questo strumento utilizza una forma d’onda passo veloce (step generator) con il minimo overshoot insieme a un ricevitore a banda larga (sampler) per misurare la risposta passo. Ci sono anche strumenti combinati VNA / TDR poiché gran parte dei circuiti e le interfacce fisiche sono simili.
D: Quale è meglio: il VNA con FFT o l’approccio TDR?
A: La risposta dipende da molti fattori come frequenza di interesse, larghezza di banda, livelli di rumore, gamma dinamica, per citarne solo alcuni.
D: C’è stata qualche menzione del grafico Smith in precedenza; qual è la relazione tra i parametri s e il grafico Smith?
A: Il grafico Smith è la rappresentazione grafica più utilizzata dell’impedenza di un dispositivo RF o di un canale rispetto alla frequenza — ed è stato in uso dalla metà degli anni 1920. Sebbene tracciato inizialmente su carta, ovviamente, ora è anche presentato sullo schermo di uno strumento VNA o TDR. I parametri s possono essere contrassegnati direttamente sul grafico Smith per una visione significativa degli attributi del componente e del sistema (Figura 7).
Questa FAQ ha brevemente coperto un argomento molto complicato ma importante di s-parametri e problemi correlati. Ci sono molti buoni riferimenti disponibili che vanno dai trattamenti accademici e di tipo manuale alle note applicative del fornitore, nonché spiegazioni informali e meno intense.
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Altri riferimenti
- Electrical4U, “Parametri ibridi o parametri h”
- Keysight Technologies, ” S-Parameter Measurements: Basics for High Speed Digital Engineers”
- IEEE Aerospace Conference Proceedings, “MUSIC algorithm DOA estimation for cooperative node location in mobile ad hoc networks”
- Sito web IN3OTD, “Mitsubishi RD16HHF1 LDMOS model S-parameters from 50 MHz to 500 MHz”
- Microwaves101, “S-parameters”
- Marki Microwave, “l’accordo con i parametri S?”
- In conformità, ” S-Parameters Tutorial-Parte I: Background fondamentale ”
- University of South Florida (via Northern Arizona University),”S-Parameters “
- Tektronix, ” Che cos’è un analizzatore di rete vettoriale e come funziona?”