Blog O Przewodnik do dokładnych pomiarów sparametrów za pomocą analizatorów sieci

W dziedzinie inżynierii elektronicznej precyzyjna ocena i optymalizacja wydajności sieci obwodów jest kluczowa. Bez precyzyjnych pomiarów charakterystyk obwodów, projektowanie wysokowydajnych urządzeń elektronicznych byłoby równoznaczne z nawigacją z zawiązanymi oczami. Analizatory sieci stanowią podstawowe rozwiązanie tego wyzwania, mierząc impedancję i tłumienie w sieciach obwodów, dostarczając inżynierom krytycznych informacji.

Analizatory sieci to specjalistyczne instrumenty przeznaczone do analizy elektronicznych sieci obwodów, których podstawowe możliwości koncentrują się na pomiarze impedancji i tłumienia. Postęp technologiczny nieustannie poszerza ich zakres częstotliwości, obejmując obecnie pasma fal milimetrowych do 110 GHz, co znacznie rozszerza zakres ich zastosowań.

Istnieją dwa główne typy analizatorów sieci:

• Analizatory Sieci Skalarnej: Mierzą tylko amplitudę sygnału w celu określenia charakterystyk częstotliwościowych. Ich prostsza architektura ułatwia implementację pomiarów wysokich częstotliwości.
• Analizatory Sieci Wektorowej (VNA): Mierzą zarówno amplitudę, jak i fazę sygnału, dostarczając kompleksowych informacji o sieci obwodów. VNA oferują doskonałą precyzję pomiarów i stały się niezbędne we współczesnych zastosowaniach pomiarów elektronicznych.

Biorąc pod uwagę krytyczną rolę VNA we współczesnej elektronice, ten artykuł koncentruje się w szczególności na zasadach i zastosowaniach wektorowych analizatorów sieci.

Podczas gdy różne parametry mogą opisywać sieci obwodów (w tym parametry V, parametry Z i parametry H), analizatory sieci wykorzystują przede wszystkim parametry S (parametry rozpraszania) ze względu na ich charakter oparty na mocy, co sprawia, że są one szczególnie odpowiednie do charakteryzacji obwodów wysokiej częstotliwości.

Podstawowa architektura analizatora sieci składa się z kilku kluczowych komponentów: źródła sygnału, rozdzielacza sygnału (dzielnika mocy), sprzęgacza kierunkowego i co najmniej trzech odbiorników. Elementy te muszą obejmować cały zakres częstotliwości roboczych instrumentu.

Proces pomiaru rozpoczyna się od źródła sygnału generującego sygnał testowy, który dzieli się na dwie ścieżki: jedna łączy się z odbiornikiem odniesienia (R) jako punkt odniesienia, podczas gdy druga służy jako sygnał padający wchodzący do urządzenia testowanego (DUT) przez sprzęgacz kierunkowy. Odbiornik A przechwytuje sygnały odbite, a odbiornik B mierzy sygnały transmitowane.

Parametry S są określane przez obliczanie stosunków A/R i B/R. Otrzymane sygnały podlegają konwersji do częstotliwości pośrednich, a następnie detekcji synchronicznej w celu wyodrębnienia składowych rzeczywistych i urojonych. Przetwarzanie cyfrowe prezentuje następnie te dane w różnych formatach, w tym wykresach Smitha, logarytmicznej amplitudzie, fazie i opóźnieniu grupowym.

Parametry S ilościowo opisują charakterystyki transmisji i odbicia DUT. Dla sieci dwuportowej kluczowe parametry S to:

• S11: Sygnał odbity z portu 1 po wzbudzeniu na porcie 1
• S21: Sygnał transmitowany do portu 2 po wzbudzeniu na porcie 1
• S12: Sygnał transmitowany do portu 1 po wzbudzeniu na porcie 2
• S22: Sygnał odbity z portu 2 po wzbudzeniu na porcie 2

Każdy parametr S jest liczbą zespoloną ze składowymi rzeczywistymi (amplituda) i urojonymi (faza). Charakterystyki transmisji (S21/S12) odnoszą się do wzmocnienia, straty, izolacji, opóźnienia grupowego i współczynników transmisji, podczas gdy charakterystyki odbicia (S11/S22) odpowiadają impedancji, stracie odbiciowej, współczynnikowi fali stojącej napięcia (VSWR) i współczynnikowi odbicia.

Wyjątkowa precyzja pomiarów analizatorów sieci wynika z zaawansowanych procesów kalibracji, które eliminują nieodłączne błędy systemowe. Mierząc znane standardy (otwarcie, zwarcie, obciążenie), system charakteryzuje własne parametry S, a następnie matematycznie usuwa te błędy z pomiarów DUT podczas post-processingu.

• SOLT (Short-Open-Load-Thru): Standard dla systemów współosiowych
• Offset Short: Preferowane dla zastosowań falowodowych
• LRL/TRL/LRM (warianty Line-Reflect-Line): Idealne dla struktur mikrostrip i koplanarnych falowodów (CPW)

1. Ustanowienie płaszczyzn odniesienia pomiaru na końcach kabli koncentrycznych (port 1 i 2)
2. Zmierz otwarcie (∞ rezystancja) na porcie 1 i zwarcie (0 rezystancja) na porcie 2, przechowując odpowiedzi odbicia do przodu
3. Odwróć standardy i zmierz odpowiedzi odbicia wstecznego
4. Podłącz dopasowane obciążenia (50Ω) do obu portów w celu pomiaru kierunkowości/izolacji
5. Wykonaj połączenie przelotowe między portami w celu charakteryzacji odpowiedzi transmisji

Standardy kalibracji zazwyczaj odwołują się do krajowych standardów pomiarowych, umożliwiając korekcję błędów za pomocą matematyki wektorowej. Pełna kalibracja dwuportowa (12-terminowa korekcja błędów) uwzględnia błędy kierunkowe, dopasowania źródła/obciążenia, odpowiedzi częstotliwościowej i izolacji.

Chociaż kalibracja usuwa błędy systematyczne, pozostaje kilka niepowtarzalnych źródeł błędów:

• Zmienność powtarzalności złączy
• Szumy resztkowe odbiornika
• Wahania środowiskowe (temperatura, wilgotność, wibracje)
• Wpływ stabilności częstotliwości na pomiary fazy
• Powtarzalność procesu kalibracji

Optymalne praktyki pomiarowe obejmują:

• Utrzymywanie stałego momentu obrotowego złącza
• Kontrolowanie temperatury otoczenia
• Używanie wysoce stabilnych źródeł sygnału
• Minimalizowanie ruchu kabli koncentrycznych podczas pomiarów

Te środki ostrożności pomagają zminimalizować niestabilne wkładki błędów i zapewnić dokładność pomiarów.

Analizatory sieci stanowią niezbędne narzędzia we współczesnych pomiarach elektronicznych. Poprzez kompleksowe zrozumienie teorii parametrów S, skrupulatne praktyki kalibracji i staranne zarządzanie błędami, inżynierowie mogą precyzyjnie charakteryzować i optymalizować wydajność sieci obwodów. Opanowanie technik analizatorów sieci pozostaje niezbędne dla profesjonalistów pracujących w projektowaniu obwodów RF, mikrofalowych i szybkich cyfrowych.