Основные измерения с помощью векторного анализатора цепей

Векторный анализ радиочастотных цепей — это метод измерения амплитудных и фазовых характеристик исследуемого устройства (ИУ, или DUT — Device Under Test) в заданном частотном диапазоне. В качестве ИУ могут выступать, например, антенна, аттенюатор или усилитель мощности.

Анализ основан на построении матрицы рассеяния (S-матрицы) устройства. Для стандартного двухпортового прибора (четырёхполюсника) наиболее важными являются комплексные коэффициент отражения (S₁₁) коэффициент передачи (S₂₁). Эти параметры необходимы для решения таких практических задач, как разработка согласующей цепи усилителя мощности. На основе фазовой информации также рассчитывается групповое время запаздывания (ГВЗ) — временная задержка сигнала при прохождении через цепь.

Принцип измерения S-параметров (см. Рис. 1) основан на соотношении падающих и отражённых волн, описываемых комплексными коэффициентами a и b:

• a₁ — падающая волна на входе (порт 1);
• b₁ — волна, отражённая от входа;
• b₂ — волна, прошедшая на выход (порт 2).

Особенность анализаторов RIGOL серии RSAxN: Поскольку встроенный следящий генератор и КСВН-мост имеются только на порту 1, падающая волна a₂ на порту 2 равна нулю.

Приложение векторного анализа цепей (VNA)
в анализаторах спектра RIGOL серий RSA5000N и RSA3000N (RSAxN)
позволяет проводить три типа измерений: коэффициента отражения,
коэффициента передачи и расстояния до неоднородности (DTF, Distance To
Fault).

Все эти измерения поддерживают различные виды отображения результатов, что позволяет инженерам определять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) испытываемого устройства, его фазу, коэффициент стоячей волны по
напряжению (КСВН, VSWR), а также выводить данные на диаграмме Смита и в
линейных или полярных координатах.

Калибровка

В первую очередь перед любыми измерениями требуется проведение процедуры калибровки. Каждое измерение включает различные механизмы ошибок, которые можно минимизировать с помощью калибровочных процедур, что повышает качество и точность измерений. Это реализуется использованием калибровочных эталонов с известными характеристиками:

• типа «ХХ» (Open) / «Нагрузка» (Load) / «КЗ» (Short), которые используются для однопортовых измерений параметра S11
• типа «Перемычка» (Through) используемая для измерений параметра S12

Например,параметры калибровочных наборов RIGOL CK106A (DC – 6,5 ГГц) и CK106E (DC – 1,5 ГГц) известны и уже интегрированы в приборы серий RSAxN. С
учётом этих значений производится прецизионная калибровка. Если используются калибровочные наборы сторонних производителей, то их
параметры должны быть загружены в прибор. На рисунках 2 и 3 ниже
представлены измерения параметров полосового фильтра без и с применением
калибровки.

Рис. 2: Измерение параметра S11 полосового фильтра: До (тонкая линия) и после (толстая линия) однопортовой калибровки.

Рис. 3. Измерение параметра S21 полосового фильтра: до (тонкая линия) и после (толстая линия) калибровки типа «перемычка» (Through).

Измерения S11

Измерение коэффициента отражения (S₁₁) играет ключевую роль при анализе сложных систем, например, беспроводных. Этот параметр описывает соотношение между падающей и отражённой волной.

Хотя для его проведения существует много инструментов, одним из наиболее информативных способов визуализации является диаграмма Смита, поскольку она одновременно отображает:

• Комплексный импеданс и предоставляет инструменты для определения согласования (компенсации реактивного сопротивления).
• Комплексный коэффициент отражения.
• Влияние реактивных компонентов (ёмкости, индуктивности).
• Влияние частотного диапазона и отображение частотной зависимости.
• Коэффициент добротности (Q-фактор) РЧ-компонентов.
• Влияние длины кабеля.
• Потери в кабеле.

Помимо диаграммы Смита, для параметра S₁₁ доступны режимы отображения потерь на отражение и КСВН (коэффициента стоячей волны по напряжению) в зависимости от частоты (см. рис. 4). КСВН характеризует отношение максимального и минимального напряжения в стоячей волне. Ключевое отличие от комплексного коэффициента отражения заключается в том, что КСВН не зависит от фазы сигнала.

Рис. 4. Различные отображения параметра S11, такие как диаграмма Смита (желтый и зеленый), потери амплитуды сигнала на отражение в логарифмическом масштабе (синий) и измерение КСВН (розовый)

Групповое время запаздывания (ГВЗ)
— ещё один критически важный параметр, сопровождающий прохождение
радиосигналов через любые компоненты (как активные, так и пассивные).
Если ГВЗ непостоянен в рабочем частотном диапазоне, это приводит к нелинейной задержке разных частотных составляющих сигнала и, как следствие, к искажению передаваемой информации.

Идеальным условием для сохранения формы сигнала является постоянная групповая задержка
во всём диапазоне. В этом случае все частотные компоненты задерживаются
одинаково, искажения отсутствуют, а ГВЗ имеет постоянное значение.

Важно: Анализаторы RIGOL серии RSAxN позволяют измерять и отображать как фазовую характеристику, так и групповую задержку в желаемом частотном диапазоне при измерениях S₁₁ и S₂₁ (см. рисунок 5).

Рис. 5. Измерение S11: логарифмическая амплитуда (желтый); фаза (синий), КСВН (зеленый) и ГВЗ (розовый).

Измерение параметра S₂₁

Параметр S₂₁ определяет ослабление или усиление амплитуды сигнала в заданном частотном диапазоне, которое можно измерить с высокой точностью после калибровки Through. Это измерение используется для определения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) по уровню -3 дБ, анализа изменения фазы и группового времени запаздывания (ГВЗ) полосового фильтра (см. рисунок 6), а также, например, для характеризации погрешности усиления
усилителей мощности.

Рисунок 6: Измерение S21 полосового фильтра. Отображение АЧХ (зеленый), фазы (синий) и ГВЗ (розовый).

Измерения расстояния до неоднородности (DTF)

Одним из расширенных типов измерений в режиме VNA, при котором доступна
информация о фазе, является возможность преобразования данных из
частотной области во временную с помощью обратного преобразования Фурье. Временное отображение используется, например, для точной локализации дефектов в кабельных сборках.

На рисунке 7 показано измерение DTF (distance-to-fault) и КСВН исследуемой кабельной линии. Если в частотной области неоднородности отображаются лишь в общем виде, то в режиме DTF
они чётко визуализируются, что позволяет с помощью маркера измерить
точное расстояние до перегибов, обрывов или других повреждений.

Для проведения точных измерений в режиме DTF необходимо:

1. Выполнить калибровку, аналогичную калибровке для измерения S₁₁.
2. Учесть коэффициент замедления сигнала в материале кабеля и потери в линии. Оба этих параметра указываются в спецификациях (технических данных) кабелей.

Рис. 7. Измерение расстояния до повреждения (желтый) и КСВН кабельной сборки.

Анализаторы спектра Rigol серий RSA5000N и RSA3000N имеют четыре дополнительных режима работы помимо функции векторного анализа цепей (VNA):

1. RTSA — анализатор спектра в реальном времени с максимальной полосой до 40 МГц.
2. Классический анализатор спектра (GPSA).
3. EMI — предквалификационные измерения на соответствие гражданским стандартам электромагнитной совместимости (CISPR).
4. VSA — векторный анализ сигналов с цифровой модуляцией.

С добавлением режима VNA серии RSA5000N и RSA3000N становятся достаточно гибкой платформой для ВЧ-измерений, позволяя инженерам решать одним прибором такие задачи, как:

• Анализ спектра.
• Демодуляция аналоговых и цифровых сигналов.
• Мониторинг помех в реальном времени.
• Характеризация пассивных и активных устройств.
• Предквалификационные ЭМС-измерения.

Источник материала: RIGOL Knowledge Base

С уважением, команда Эксперт+
Телефон: 8 (800) 200-02-66
E-mail: info@dipaul.ru

Следите за нашими публикациями!