vilka är tillämpningar och mätningar av S-parametrar? (Del 2)
Del 1 av denna FAQ var en grundläggande introduktion till sammanhanget och begreppet s-parametrar. Del 2 tittar på deras mätning och tillämpning och förhållande till tidsdomänen.
F: Hur mäter du faktiskt s-parametrar?
A: i allmänhet, förutom ungefärliga mätningar, kan du inte använda en spektrumanalysator ensam för detta frekvensdomäntest. Istället, det finns två dedikerade, specifika klasser av instrument: nätverksanalysatorn, som kan ställa in och mäta skalära s-parametrar, och vektornätverksanalysatorn (VNA), som också mäter vektorn (verkliga och imaginära) s-parametrar (Figur 1).
olika instrument finns tillgängliga för en mängd olika maximala frekvensområden, till exempel upp till 1 GHz, 10 GHz och till och med i tiotals GHz. Naturligtvis går kostnaden upp med varje ökning av intervallet. Det finns också 4-port analysatorer för differentialkretsar.
F: Vad är den fysiska inställningen med en VNA?
A: VNA använder en exakt sinusvåg och sveper frekvensen när en smalbandsmottagare spårar det svepade ingångssvaret. Denna smalbandsmottagare uppnår lågt brus och högt dynamiskt omfång för VNA. Det ser enkelt ut, men det finns många subtiliteter och komplexiteter i den interna arkitekturen, komponenterna och faktiskt gör mätningarna. Såsom visas i (Figur 2), S-parametrar S11 = a/R1 och S21=B/R1, och bestäms genom att mäta storleken och fasen av händelsen (R1), reflekteras (a) och överförs (B) spänningssignaler när utgången avslutas i en perfekt Zo, den karakteristiska impedansen hos testsystemet.
på grund av detta uppställningsförhållande är det garanterat att R2 är noll eftersom det inte finns någon reflektion från en idealisk belastning. (Kom ihåg att S11 motsvarar den ingående komplexa reflektionskoefficienten eller impedansen hos DUT, och S21 är den främre komplexa överföringskoefficienten.) På samma sätt, genom att placera källan vid port 2 och avsluta port 1 i en perfekt belastning (vilket gör r1 noll), kan S22 (=B/R2) och S12 (=a/R2) mätningar göras. (återigen, kom ihåg att S22 motsvarar utgångskomplexreflektionskoefficienten eller utgångsimpedansen hos DUT, och S12 är den omvända komplexa överföringskoefficienten.)
F: Vad är några typiska s-parameterresultat?
A: Det finns inga ”typiska” resultat, men det är intressant att titta på några ”idealiserade” fall (Figur 3).
f: vem gör VNAs?
A: Det finns många leverantörer; bland dem är Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Polar Instruments, Saelig Corp., National Instruments och Tektronix. Det finns också många mindre kända leverantörer av VNAs för de lägre frekvenserna där den underliggande VNA-tekniken och kalibreringen inte är lika komplicerade (men det är fortfarande ganska avancerat; det är bara en relativ jämförelse). En fristående VNA kostar mellan $5000 och $50,000 beroende på frekvens och prestanda.
denna Keysight E5061B ENA Vector Network Analyzer ($29,000) hanterar upp till 3-GHz – tester och har 120 dB dynamiskt omfång-en viktig merit för exakta resultat. Den hanterar både 50-och 75-Impedansarrangemang via GHz – klassanslutningarna för de två portarna på frontpanelen (Figur 4).
det finns också vna: er som använder en frontbox för RF/mikrovågsfunktionerna i samband med en dator ansluten via en USB-port. Tektronix TTR500 ($9,000) är till exempel en 100 kHz till 6 GHz VNA med över 122 dB dynamiskt omfång, -50 till +7 dBm uteffekt och < 0.008 dB RMS spårbrus, (Figur 5).
i allmänhet är högpresterande vna (som bestäms av frekvensområde, dynamiskt område, brusgolv och andra specifikationer) bland den dyrare klassen av RF-testutrustning. Vissa VNAs kan också utföra en TDR-mätning (time domain reflectometry), vilket möjliggör jämförelse och korrelation med VNA-mätningarna.
F: jag ser testinstrument som kallas bärbara nätverksanalysatorer som erbjuds för några tusen dollar – kan jag använda dem här?
A: Det beror på. Anledningen är att termen ”nätverksanalysator” också hänvisar till ett orelaterat instrument som kontrollerar prestanda för en datalänk eller datanätverk och tillhandahåller data som bitfelfrekvens (BER) kontra SNR. Men det finns billigare, robusta vektornätverksanalysatorer som kan utföra mätningarna i fältet. Dessa används av RF/mikrovågstekniker för installation, justering och felsökning, men är vanligtvis inte tillräckliga för initiala designinsatser.
(Observera att termen ”nätverksanalysator” sällan förkortas som ”NA” eftersom det också kan hänvisa till kommunikationsnätverk eller till och med optiska parametrar som numerisk bländare, medan vektornätverksanalysatorn ofta kallas VNA – det är bara en av dessa saker.)
F: detta verkar enkelt en du men VNA, men vad är verkligheten?
A: för det första är varje mätning av amplitud och fas vid högre frekvenser utmanande och blir mer när frekvensen ökar. För S-parametrar kan små fel eller obalanser i mätarrangemanget resultera i betydande fel i slutresultatet; testresultaten är mycket känsliga för testfel.
Q Vilka typer av fel?
A: Det finns tre breda typer av vna-Fel: systemfel i analysatorn och testinställningen; dessa är konsekventa och kan kalibreras i viss utsträckning; slumpmässiga fel instrumentbrus (källfasbrus, samplerbrus, om buller och mer); och driftfel, som främst orsakas av temperaturvariation; det kan också tas bort genom kalibrering).
f: förutom att utveckla bättre instrument (hastighet, precision, buller), vad kan man göra?
A: eftersom s-parametermätningar är känsliga för interna fel används vna vanligtvis med en speciell kalibreringsfixtur, som består av en känd ”belastning.”Detta är inte bara ett enkelt motstånd eller annan passiv enhet. Det är en noggrant utformad och konstruerad fixtur med kända egenskaper, och den är ansluten till VNA via elektriskt matchade kabelpar, med RF-kontakter som är lämpliga för frekvensen av intresse.
med hjälp av denna fixtur kan VNA kalibreras, och även skift i prestanda på grund av temperatur kan kalibreras och kompenseras. Varje kalibreringsarmatur är konstruerad för användning upp till en maximal frekvens, som de för högre frekvenser är dyrare än de för lägre. Kalibreringsuppsättningar och sekvenser kan vara manuella operationer, men många är nu automatiska operationer som registrerar resultat och implementerar nödvändiga korrigeringsfaktorer.
till exempel är Keysight 85096c RF elektronisk Kalibreringsmodul konstruerad för 300 kHz till 3 GHz-drift (Figur 6); den innehåller Typ-N, 75 ohm, 2-portsanslutningar och kan spåras till NIST-kalibrering. Den består av ett USB-gränssnitt för PC-kontroll tillsammans med solid state-växling så att den kan konfigureras efter behov under kalibreringsprocessen.
F: S-parametrar är för frekvensdomänen, men mitt arbete är också tidsdomänrelaterat-vilka är mina alternativ?
A: Det finns två alternativ. En är att konvertera frekvensdata för VNA-utgången till tidsdomänen via en invers snabb Fourier-Transformation (FFT). Den andra är att använda ett oscilloskop och fånga data direkt i tidsdomänen via ett oscilloskop för tidsdomänreflektometri (TDR). Detta instrument använder en snabb stegvågform (steggenerator) med minimal överskridning tillsammans med en bredbandsmottagare (sampler) för att mäta stegsvar. Det finns också kombinerade vna / TDR-instrument eftersom mycket av kretsarna och fysiska gränssnitt är likartade.
F: vilket är bättre: VNA med FFT eller TDR-metoden?
A: svaret beror på många faktorer som frekvens av intresse, bandbredd, ljudnivåer, dynamiskt omfång, för att bara nämna några.
f: det fanns några omnämnanden av Smith-diagrammet tidigare; Vad är förhållandet mellan s-parametrar och Smith-diagrammet?
A: Smith-diagrammet är den mest använda grafiska representationen av impedansen hos en RF — enhet eller kanal kontra frekvens-och har använts sedan mitten av 1920-talet. även om det ursprungligen ritades på papper presenteras det naturligtvis också på skärmen på ett vna-eller TDR-instrument. S-parametrarna kan markeras direkt på Smith-diagrammet för betydande insikt i komponent-och systemattribut (Figur 7).
denna FAQ har kort täckt ett mycket komplicerat men viktigt ämne för s-parametrar och relaterade frågor. Det finns många bra referenser tillgängliga, allt från akademiska och lärobokstyper till leverantörsanmälningar samt informella, mindre intensiva förklaringar.
EE World Online-referenser
Impedansmatchning och Smith – diagrammet, Del 1
Impedansmatchning och Smith-diagrammet, del 2
tryckta kretskort, Del 4: Beyond FR-4
passiva mikrovågskomponenter, Del 1: isolatorer och cirkulatorer
passiva mikrovågskomponenter, del 2: kopplingar och delare
snabb sammankopplingsanalysator avslöjar tids-och frekvensdomän detaljer i ett enda förvärv
lastdrag för RF-enheter, del 2: Hur och var
Lågkostnadsvektornätverksanalysator täcker upp till 6 GHz
VNAs får uppdaterad tidsdomän, ögondiagramverktyg
andra referenser
- Electrical4U, ”Hybridparametrar eller h-parametrar”
- Keysight Technologies, ” s-Parametermätningar: Grunderna för höghastighets digitala ingenjörer”
- IEEE Aerospace Conference Proceedings, ”MUSIKALGORITM Doa uppskattning för kooperativ nod plats i mobila ad hoc-nätverk”
- in3otd webbplats, ”Mitsubishi RD16HHF1 LDMOS modell S-parametrar från 50 MHz till 500 MHz”
- Microwaves101, ”s-parametrar”
- Marki mikrovågsugn, ”Vad handlar det om S-parametrar?”
- I Överensstämmelse, ” S-Parametrar Handledning-Del I: Grundläggande bakgrund ”
- University of South Florida (via Northern Arizona University),”S-parametrar ”
- Tektronix, ” Vad är en Vektornätverksanalysator och hur fungerar det?”