Μπλογκ περίπου Οδηγός για ακριβείς μετρήσεις σπαραμέτρου με αναλυτές δικτύου

Στον τομέα της ηλεκτρονικής μηχανικής, η ακριβής αξιολόγηση και βελτιστοποίηση της απόδοσης των κυκλωμάτων είναι ζωτικής σημασίας. Χωρίς ακριβείς μετρήσεις των χαρακτηριστικών των κυκλωμάτων, ο σχεδιασμός ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής απόδοσης θα ήταν σαν να πλοηγείσαι με δεμένα μάτια. Οι αναλυτές δικτύων χρησιμεύουν ως η θεμελιώδης λύση σε αυτή την πρόκληση, μετρώντας την σύνθετη αντίσταση και την εξασθένηση στα κυκλώματα, παρέχοντας στους μηχανικούς κρίσιμες πληροφορίες.

Οι αναλυτές δικτύων είναι εξειδικευμένα όργανα σχεδιασμένα για την ανάλυση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, με βασικές δυνατότητες που επικεντρώνονται στη μέτρηση της σύνθετης αντίστασης και της εξασθένησης. Οι τεχνολογικές εξελίξεις έχουν επεκτείνει συνεχώς το εύρος συχνοτήτων τους, καλύπτοντας πλέον ζώνες χιλιοστομετρικών κυμάτων έως και 110 GHz, διευρύνοντας σημαντικά το πεδίο εφαρμογής τους.

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι αναλυτών δικτύων:

• Αναλυτές Σκαλαρωτού Δικτύου: Μετρούν μόνο το πλάτος του σήματος για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών συχνότητας. Η απλούστερη αρχιτεκτονική τους διευκολύνει την ευκολότερη εφαρμογή μετρήσεων υψηλής συχνότητας.
• Αναλυτές Διανυσματικού Δικτύου (VNAs): Μετρούν τόσο το πλάτος όσο και τη φάση του σήματος, παρέχοντας ολοκληρωμένες πληροφορίες για τα κυκλώματα. Οι VNAs προσφέρουν ανώτερη ακρίβεια μέτρησης και έχουν καταστεί απαραίτητοι στις σύγχρονες εφαρμογές ηλεκτρονικών μετρήσεων.

Δεδομένου του κρίσιμου ρόλου των VNAs στη σύγχρονη ηλεκτρονική, αυτό το άρθρο επικεντρώνεται ειδικά στις αρχές και τις εφαρμογές των αναλυτών διανυσματικού δικτύου.

Ενώ διάφορες παράμετροι μπορούν να περιγράψουν τα κυκλώματα (συμπεριλαμβανομένων των παραμέτρων V, των παραμέτρων Z και των παραμέτρων H), οι αναλυτές δικτύων χρησιμοποιούν κυρίως τις παραμέτρους S (παράμετροι σκέδασης) λόγω της φύσης τους που βασίζεται στην ισχύ, καθιστώντας τις ιδιαίτερα κατάλληλες για τον χαρακτηρισμό κυκλωμάτων υψηλής συχνότητας.

Η θεμελιώδης αρχιτεκτονική ενός αναλυτή δικτύου περιλαμβάνει αρκετά βασικά εξαρτήματα: μια πηγή σήματος, ένα διαχωριστή σήματος (διαιρέτη ισχύος), ένα κατευθυντικό ζεύκτη και τουλάχιστον τρεις δέκτες. Αυτά τα στοιχεία πρέπει να καλύπτουν ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας του οργάνου.

Η διαδικασία μέτρησης ξεκινά με την πηγή σήματος που δημιουργεί ένα σήμα δοκιμής το οποίο χωρίζεται σε δύο διαδρομές: η μία συνδέεται με έναν δέκτη αναφοράς (R) ως βάση, ενώ η άλλη χρησιμεύει ως το προσπίπτον σήμα που εισέρχεται στη συσκευή υπό δοκιμή (DUT) μέσω του κατευθυντικού ζεύκτη. Ο δέκτης A καταγράφει τα ανακλώμενα σήματα, ενώ ο δέκτης B μετρά τα μεταδιδόμενα σήματα.

Οι παράμετροι S προσδιορίζονται υπολογίζοντας τις αναλογίες A/R και B/R. Τα ληφθέντα σήματα υποβάλλονται σε μετατροπή σε ενδιάμεσες συχνότητες, ακολουθούμενη από σύγχρονη ανίχνευση για την εξαγωγή πραγματικών και φανταστικών συνιστωσών. Η ψηφιακή επεξεργασία παρουσιάζει στη συνέχεια αυτά τα δεδομένα σε διάφορες μορφές, συμπεριλαμβανομένων των διαγραμμάτων Smith, του λογαριθμικού μεγέθους, της φάσης και της καθυστέρησης ομάδας.

Οι παράμετροι S περιγράφουν ποσοτικά τα χαρακτηριστικά μετάδοσης και ανάκλασης ενός DUT. Για ένα δίκτυο δύο θυρών, οι βασικές παράμετροι S είναι:

• S11: Σήμα που ανακλάται από τη θύρα 1 όταν διεγείρεται στη θύρα 1
• S21: Σήμα που μεταδίδεται στη θύρα 2 όταν διεγείρεται στη θύρα 1
• S12: Σήμα που μεταδίδεται στη θύρα 1 όταν διεγείρεται στη θύρα 2
• S22: Σήμα που ανακλάται από τη θύρα 2 όταν διεγείρεται στη θύρα 2

Κάθε παράμετρος S είναι ένας σύνθετος αριθμός με πραγματικές (μέγεθος) και φανταστικές (φάση) συνιστώσες. Τα χαρακτηριστικά μετάδοσης (S21/S12) σχετίζονται με την απολαβή, την απώλεια, την απομόνωση, την καθυστέρηση ομάδας και τους συντελεστές μετάδοσης, ενώ τα χαρακτηριστικά ανάκλασης (S11/S22) αντιστοιχούν στην σύνθετη αντίσταση, την απώλεια επιστροφής, την αναλογία στάσιμου κύματος τάσης (VSWR) και τον συντελεστή ανάκλασης.

Η εξαιρετική ακρίβεια μέτρησης των αναλυτών δικτύων προέρχεται από εξελιγμένες διαδικασίες βαθμονόμησης που εξαλείφουν τα εγγενή σφάλματα του συστήματος. Μετρώντας γνωστά πρότυπα (ανοιχτό, βραχυκύκλωμα, φορτίο), το σύστημα χαρακτηρίζει τις δικές του παραμέτρους S και στη συνέχεια αφαιρεί μαθηματικά αυτά τα σφάλματα από τις μετρήσεις DUT κατά την επεξεργασία.

• SOLT (Short-Open-Load-Thru): Πρότυπο για ομοαξονικά συστήματα
• Offset Short: Προτιμάται για εφαρμογές κυματοδηγού
• LRL/TRL/LRM (παραλλαγές Line-Reflect-Line): Ιδανικό για μικροταινίες και δομές CPW (coplanar waveguide)

1. Δημιουργήστε επίπεδα αναφοράς μέτρησης στα άκρα ομοαξονικών καλωδίων (θύρα 1 & 2)
2. Μετρήστε ανοιχτό (∞ αντίσταση) στη θύρα 1 και βραχυκύκλωμα (0 αντίσταση) στη θύρα 2, αποθηκεύοντας τις αποκρίσεις εμπρόσθιας ανάκλασης
3. Αντιστρέψτε τα πρότυπα και μετρήστε τις αποκρίσεις ανάστροφης ανάκλασης
4. Συνδέστε ταιριασμένα φορτία (50Ω) και στις δύο θύρες για μετρήσεις κατευθυντικότητας/απομόνωσης
5. Πραγματοποιήστε σύνδεση thru μεταξύ των θυρών για τον χαρακτηρισμό της απόκρισης μετάδοσης

Τα πρότυπα βαθμονόμησης συνήθως ανιχνεύονται σε εθνικά πρότυπα μέτρησης, επιτρέποντας τη διόρθωση σφαλμάτων μέσω διανυσματικών μαθηματικών. Η πλήρης βαθμονόμηση δύο θυρών (διόρθωση σφάλματος 12 όρων) αντιμετωπίζει σφάλματα κατευθυντικότητας, αντιστοίχισης πηγής/φορτίου, απόκρισης συχνότητας και απομόνωσης.

Ενώ η βαθμονόμηση αφαιρεί συστηματικά σφάλματα, παραμένουν αρκετές μη επαναλαμβανόμενες πηγές σφαλμάτων:

• Διακυμάνσεις επαναληψιμότητας συνδέσμου
• Υπολειμματικός θόρυβος δέκτη
• Περιβαλλοντικές διακυμάνσεις (θερμοκρασία, υγρασία, δόνηση)
• Επιπτώσεις σταθερότητας συχνότητας στις μετρήσεις φάσης
• Επαναληψιμότητα διαδικασίας βαθμονόμησης

Οι βέλτιστες πρακτικές μέτρησης περιλαμβάνουν:

• Διατήρηση σταθερής ροπής συνδέσμου
• Έλεγχος της περιβαλλοντικής θερμοκρασίας
• Χρήση πηγών σήματος υψηλής σταθερότητας
• Ελαχιστοποίηση της κίνησης ομοαξονικών καλωδίων κατά τη διάρκεια των μετρήσεων

Αυτές οι προφυλάξεις βοηθούν στην ελαχιστοποίηση των ασταθών συνεισφορών σφαλμάτων και διασφαλίζουν την ακρίβεια των μετρήσεων.

Οι αναλυτές δικτύων αντιπροσωπεύουν απαραίτητα εργαλεία στη σύγχρονη ηλεκτρονική μέτρηση. Μέσω της ολοκληρωμένης κατανόησης της θεωρίας των παραμέτρων S, των σχολαστικών πρακτικών βαθμονόμησης και της προσεκτικής διαχείρισης σφαλμάτων, οι μηχανικοί μπορούν να χαρακτηρίσουν και να βελτιστοποιήσουν με ακρίβεια την απόδοση των κυκλωμάτων. Η εκμάθηση των τεχνικών αναλυτή δικτύου παραμένει απαραίτητη για τους επαγγελματίες που εργάζονται στον σχεδιασμό κυκλωμάτων RF, μικροκυμάτων και υψηλής ταχύτητας ψηφιακών κυκλωμάτων.