Сетевой анализатор (электрический) - Network analyzer (electrical)

Векторный анализатор цепей ZVA40 от Rohde & Schwarz.

А сетевой анализатор инструмент, который измеряет параметры сети из электрические сети. Сегодня анализаторы сетей обычно измеряют s – параметры потому что отражение и коробка передач электрических сетей легко измерить на высоких частотах, но есть и другие наборы параметров сети, такие как y-параметры, z-параметры, и h-параметры. Сетевые анализаторы часто используются для характеристики двухпортовые сети такие как усилители и фильтры, но их можно использовать в сетях с произвольным количеством порты.

Обзор

Сетевые анализаторы используются в основном на высоких частоты; рабочие частоты могут составлять от 1 Гц до 1,5 ТГц.^[1] Специальные типы сетевых анализаторов также могут охватывать более низкие диапазоны частот до 1 Гц.^[2] Эти сетевые анализаторы могут использоваться, например, для анализа стабильности открытых контуров или для измерения аудио и ультразвуковой составные части.^[3]

Два основных типа сетевых анализаторов:

• скалярный сетевой анализатор (SNA) - измеряет только амплитудные свойства
• векторный анализатор цепей (ВАЦ) - измеряет как амплитудные, так и фазовые характеристики

ВАЦ - это разновидность ВЧ-анализатора цепей, широко используемого для разработки ВЧ-приложений. ВАЦ также можно назвать измеритель фазы усиления или автоматический сетевой анализатор. СНС функционально идентична анализатор спектра в сочетании с генератор слежения. По состоянию на 2007 г.^{[Обновить]}, ВАЦ являются наиболее распространенным типом анализаторов цепей, поэтому ссылки на неквалифицированный «анализатор цепей» чаще всего означают ВАЦ. Пять известных производителей ВАЦ: Keysight, Анрицу, Rohde & Schwarz, Медные горные технологии и Лаборатория OMICRON.

Еще одна категория сетевых анализаторов - это анализатор микроволновых переходов (MTA) или анализатор цепей больших сигналов (LSNA), которые измеряют как амплитуду, так и фазу основной гармоники и гармоник. MTA был коммерциализирован до LSNA, но ему не хватало некоторых удобных для пользователя функций калибровки, которые теперь доступны с LSNA.

Архитектура

Базовая архитектура анализатора цепей включает в себя генератор сигналов, испытательный комплект, один или несколько приемников и дисплей. В некоторых настройках эти устройства являются отдельными инструментами. Большинство анализаторов цепей имеют два тестовых порта, что позволяет измерять четыре S-параметра (${ Displaystyle S_ {11} ,}$, ${ Displaystyle S_ {21} ,}$, ${ Displaystyle S_ {12} ,}$ и ${ Displaystyle S_ {22} ,}$), но инструменты с более чем двумя портами доступны в продаже.

Генератор сигналов

Анализатору цепей необходим тестовый сигнал, и генератор сигналов или источник сигнала предоставит один. В более старых анализаторах цепей не было собственного генератора сигналов, но была возможность управлять автономным генератором сигналов, используя, например, GPIB связь. Практически все современные анализаторы цепей имеют встроенный генератор сигналов. Высокопроизводительные анализаторы цепей имеют два встроенных источника. Два встроенных источника полезны для таких приложений, как тестирование микшера, когда один источник обеспечивает радиочастотный сигнал, а другой - гетеродин; или усилитель мощности интермодуляция тестирование, где для теста требуется два тона.

Набор для тестирования

Испытательный комплект принимает выходной сигнал генератора сигналов и направляет его на тестируемое устройство, а затем направляет измеряемый сигнал на приемники. Он часто отщепляет опорный канал для падающей волны. В SNA опорный канал может поступать на диодный детектор (приемник), выходной сигнал которого отправляется на автоматический контроль уровня генератора сигналов. В результате улучшается контроль выходного сигнала генератора сигналов и повышается точность измерений. В ВАЦ опорный канал идет к приемникам; он нужен, чтобы служить эталоном фазы.

Для разделения сигналов используются направленные ответвители или два резисторных делителя мощности. Некоторые наборы для микроволнового тестирования включают входные микшеры для приемников (например, тестовые наборы для HP 8510).

Приемник

Приемники производят измерения. Сетевой анализатор будет иметь один или несколько приемников, подключенных к его тестовым портам. Эталонный тестовый порт обычно помечен р, а основные тестовые порты А, B, C, .... Некоторые анализаторы выделяют отдельный приемник для каждого тестового порта, но другие используют один или два приемника для всех портов. В р приемник может быть менее чувствительным, чем приемники, используемые на тестовых портах.

Для SNA приемник измеряет только величину сигнала. Приемником может быть детекторный диод, работающий на тестовой частоте. Самый простой SNA будет иметь один тестовый порт, но более точные измерения выполняются, когда также используется эталонный порт. Опорный порт будет компенсировать изменения амплитуды тестового сигнала в плоскости измерения. Можно совместно использовать один детектор и использовать его как для эталонного порта, так и для тестового порта, выполнив два прохода измерения.

Для ВАЦ приемник измеряет как величину, так и фазу сигнала. Ему нужен эталонный канал (р) для определения фазы, поэтому для ВАЦ требуется как минимум два приемника. Обычный метод преобразует с понижением частоты опорного и испытательных каналов, чтобы сделать измерения на более низкой частоте. Фазу можно измерить с помощью квадратурный детектор. Для ВАЦ требуется как минимум два приемника, но в некоторых из них будет три или четыре приемника для одновременного измерения различных параметров.

Существует несколько архитектур ВАЦ (с шестью портами), которые определяют фазу и величину только на основе измерений мощности.

Процессор и дисплей

Поскольку обработанный радиочастотный сигнал поступает из секции приемника / детектора, необходимо отображать сигнал в формате, который может быть интерпретирован. С уровнями обработки, доступными сегодня, некоторые очень сложные решения доступны в ВЧ-анализаторах цепей. Здесь данные отражения и передачи отформатированы, чтобы можно было как можно проще интерпретировать информацию. Большинство анализаторов цепей RF включают функции, включая линейные и логарифмические развертки, линейные и логарифмические форматы, полярные графики, диаграммы Смита и т. Д. Во многих случаях также добавляются маркеры трассировки, предельные линии и критерии годен / не годен.^[4]

Измерение S-параметров с помощью векторного анализатора цепей

Основные части векторного анализатора цепей

ВАЦ - это испытательная система, которая позволяет охарактеризовать ВЧ-характеристики радиочастотных и микроволновых устройств с точки зрения сети. параметры рассеяния, или S-параметры.

На схеме показаны основные части типичного двухпортового векторного анализатора цепей (ВАЦ). Два порта тестируемое устройство (DUT) обозначают порт 1 (P1) и порт 2 (P2). Разъемы тестовых портов, имеющиеся на самом ВАЦ, относятся к прецизионным типам, которые обычно необходимо удлинить и подключить к P1 и P2 с помощью прецизионных кабелей 1 и 2, ПК1 и ПК2 соответственно и подходящих переходников разъема A1 и A2 соответственно.

Частота тестирования создается переменной частотой CW источник и его уровень мощности устанавливается с помощью переменной аттенюатор. Положение переключателя SW1 устанавливает направление, в котором тестовый сигнал проходит через тестируемое устройство. Первоначально примите во внимание, что SW1 находится в положении 1, так что тестовый сигнал падает на DUT в точке P1, которая подходит для измерения ${ Displaystyle S_ {11} ,}$ и ${ Displaystyle S_ {21} ,}$. Тестовый сигнал подается SW1 на общий порт разветвителя 1, одно плечо (опорный канал) питает опорный приемник для P1 (RX REF1), а другое (тестовый канал) подключается к P1 через направленный ответвитель DC1, PC1 и A1. Третий порт DC1 выводит мощность, отраженную от P1 через A1 и PC1, затем подает ее на тестовый приемник 1 (RX TEST1). Точно так же сигналы, выходящие из P2, проходят через A2, PC2 и DC2 на RX TEST2. RX REF1, RX TEST1, RX REF2 и RXTEST2 известны как последовательный приемники, поскольку они используют один и тот же опорный генератор, и они способны измерять амплитуду тестового сигнала и фаза на тестовой частоте. Все выходные сигналы сложного приемника подаются на процессор, который выполняет математическую обработку и отображает выбранные параметры и формат на дисплее фазы и амплитуды. В мгновенный значение фазы включает как временный и пространственный части, но первый удален за счет использования двух испытательных каналов, один в качестве эталона, а другой - для измерения. Когда переключатель SW1 установлен в положение 2, тестовые сигналы подаются на Р2, ссылка измеряется RX REF2 отражение от Р2 соединены прочь от DC2 и измеряется RX TEST2 и сигналы, выходящие P1 соединены охлаждают DC1 и измеряются RX ТЕСТ1. Это положение подходит для измерения ${ Displaystyle S_ {22} ,}$ и ${ Displaystyle S_ {12} ,}$.

Калибровка и исправление ошибок

Анализатор цепей, как и большинство электронных приборов, требует периодического калибровка; обычно это выполняется один раз в год и выполняется производителем или третьей стороной в калибровочной лаборатории. Когда прибор откалиброван, наклейка обычно прилагается с указанием даты калибровки и даты следующей калибровки. Будет выдан сертификат калибровки.

Векторный анализатор цепей обеспечивает высокоточные измерения за счет поправки на систематические ошибки в приборе характеристики кабелей, адаптеров и тестовых приспособлений. Процесс исправления ошибок, который обычно называют калибровкой, представляет собой совершенно другой процесс, который может выполняться инженером несколько раз в час. Иногда это называется калибровкой пользователем, чтобы указать отличие от периодической калибровки, проводимой производителем.

На передней панели анализатора цепей имеются разъемы, но измерения на передней панели проводятся редко. Обычно некоторые тестовые кабели подключаются от передней панели к тестируемому устройству (DUT). Длина этих кабелей приведет к временной задержке и соответствующему фазовому сдвигу (влияющему на измерения ВАЦ); кабели также будут вносить некоторое затухание (влияющее на измерения SNA и VNA). То же самое верно для кабелей и соединителей внутри анализатора цепей. Все эти факторы будут меняться с температурой. Калибровка обычно включает в себя измерение известных стандартов и использование этих измерений для компенсации систематических ошибок, но существуют методы, для которых известные стандарты не требуются. Исправить можно только систематические ошибки. Случайные ошибки, например, повторяемость соединителя не может быть исправлена ​​пользовательской калибровкой. Однако некоторые портативные векторные анализаторы цепей, разработанные для измерения с меньшей точностью без использования батарей, все же пытаются внести некоторую поправку на температуру, измеряя внутреннюю температуру анализатора цепей.

Первые шаги перед запуском пользовательской калибровки:

• Визуально осмотрите разъемы на предмет любых проблем, таких как погнутые штыри или детали, которые явно не по центру. Их не следует использовать, поскольку соединение поврежденных разъемов с хорошими разъемами часто приводит к повреждению хорошего разъема.
• Очистите разъемы сжатым воздухом под давлением менее 60 фунтов на кв. Дюйм.
• При необходимости очистите разъемы изопропиловый спирт и дайте высохнуть.
• Проверьте разъемы, чтобы убедиться в отсутствии серьезных механических проблем. Датчики соединителей с разрешением от 0,001 "до 0,0001" обычно включаются в комплекты для калибровки лучшего качества.
• Затяните разъемы до указанного момента. А Гаечный ключ будут поставляться со всеми наборами для калибровки, кроме самых дешевых.

Есть несколько различных методов калибровки.

• SOLT: сокращение от Short, Open, Load, Through, это простейший метод. Как следует из названия, для этого требуется доступ к известным стандартам с короткое замыкание, разомкнутая цепь, прецизионная нагрузка (обычно 50 Ом) и сквозное соединение. Лучше всего, если тестовые порты будут иметь одинаковый тип разъема (N, 3,5 мм и т. Д.), Но другого пола, поэтому для сквозного подключения достаточно, чтобы тестовые порты были соединены вместе. SOLT подходит для коаксиальных измерений, где можно получить короткие, открытые, нагрузочные и сквозные. Метод калибровки SOLT менее подходит для волновод измерения, когда трудно получить разомкнутую цепь или нагрузку, или измерения на некоаксиальных испытательных приборах, где существуют те же проблемы с поиском подходящих стандартов.
• TRL (калибровка сквозной линии отражения): этот метод полезен для микроволновых, некоаксиальных сред, таких как арматура, зондирование пластины или волновод. TRL использует линию передачи, значительно более длинную по электрической длине, чем сквозная линия, известной длины и полного сопротивления в качестве одного стандарта. TRL также требует стандарта с высоким коэффициентом отражения (обычно короткого или открытого), импеданс которого не обязательно должен быть хорошо определен, но он должен быть электрически одинаковым для обоих тестовых портов.^[5]

Самая простая калибровка, которую можно выполнить на анализаторе цепей, - это измерение передачи. Это не дает информации о фазе, и поэтому дает аналогичные данные для скалярного анализатора цепей. Самая простая калибровка, которую можно выполнить на анализаторе цепей, при предоставлении информации о фазе, - это калибровка с одним портом (S11 или S22, но не оба сразу). Этим объясняются три систематические ошибки, которые появляются при однопортовых измерениях отражательной способности:

• Направленность - ошибка, возникающая из-за того, что часть исходного сигнала никогда не достигает ИУ.
• Соответствие источника - ошибки, возникающие в результате множественных внутренних отражений между источником и ИУ.
• Отслеживание отражения - ошибка, возникающая из-за всей частотной зависимости измерительных проводов, соединений и т. Д.

При типичной 1-портовой калибровке отражения пользователь измеряет три известных стандарта, обычно обрыв, короткое замыкание и известную нагрузку. На основании этих трех измерений анализатор цепей может учесть три указанные выше ошибки.^[6][7]

Более сложная калибровка - это полная двухпортовая калибровка отражательной способности и передачи. Для двух портов существует 12 возможных систематических ошибок, аналогичных трем выше. Наиболее распространенный метод их исправления заключается в измерении короткого замыкания, нагрузки и открытого стандарта на каждом из двух портов, а также передачи между двумя портами.

Невозможно сделать идеальное короткое замыкание, так как в коротком замыкании всегда будет некоторая индуктивность. Невозможно сделать идеальную открытую цепь, так как всегда будет некоторая граничная емкость. В современном сетевом анализаторе данные об устройствах хранятся в калибровочном наборе. (Keysight Technologies 2006 ) Для разомкнутой цепи это будет некоторая электрическая задержка (обычно десятки пикосекунд) и граничная емкость, которая будет зависеть от частоты. Емкость обычно указывается в виде полинома с коэффициентами, специфичными для каждого стандарта. Короткое замыкание будет иметь некоторую задержку и индуктивность, зависящую от частоты, хотя индуктивность обычно считается незначительной ниже примерно 6 ГГц. Определения для ряда стандартов, используемых в наборах для калибровки Keysight, можно найти на http://na.support.keysight.com/pna/caldefs/stddefs.html Определения стандартов для конкретного калибровочного набора часто меняются в зависимости от частотного диапазона анализатора цепей. Если калибровочный комплект работает на частоте 9 ГГц, но конкретный анализатор цепей имеет максимальную рабочую частоту 3 ГГц, то емкость открытого стандарта может быть приближена более точно до 3 ГГц с использованием другого набора коэффициентов, чем это необходимо для работают до 9 ГГц.

В некоторых наборах для калибровки данные для мужчин отличаются от данных для женщин, поэтому пользователю необходимо указать пол соединителя. В других наборах для калибровки (например, Keysight 85033E 9 ГГц, 3,5 мм) мужской и женский пол имеют идентичные характеристики, поэтому пользователю не нужно указывать пол. Для разъемов без пола, например БТР-7, этот вопрос не возникает.

Большинство сетевых анализаторов могут иметь калибровочный набор, определяемый пользователем. Таким образом, если у пользователя есть конкретный калибровочный комплект, сведения о котором отсутствуют во встроенном ПО анализатора цепей, данные о комплекте могут быть загружены в анализатор цепей и, следовательно, в используемый комплект. Обычно данные калибровки могут быть введены на передней панели прибора или загружены с такого носителя, как дискета или флешка или на автобусе, например USB или GPIB.

Более дорогие калибровочные комплекты обычно включают в себя динамометрический ключ для правильной затяжки разъемов и калибр разъема, чтобы убедиться в отсутствии грубых ошибок в разъемах.

Приспособления для автоматической калибровки

Калибровка с использованием набора для механической калибровки может занять значительное время. Оператор должен не только просмотреть все интересующие частоты, но и отключить и снова подключить различные стандарты. (Keysight Technologies 2003, п. 9) Чтобы избежать этой работы, анализаторы цепей могут использовать стандарты автоматической калибровки. (Keysight Technologies 2003 ) Оператор подключает один бокс к анализатору цепей. Внутри коробки есть набор стандартов и несколько уже охарактеризованных переключателей. Анализатор цепей может считывать характеристики и управлять конфигурацией с помощью цифровой шины, такой как USB.

Комплекты для проверки сетевых анализаторов

Для проверки работы анализатора цепей в соответствии со спецификациями доступно множество комплектов для проверки. Обычно они состоят из линий передачи с воздушным диэлектриком и аттенюаторами. В комплект Agilent 85055A входит 10-сантиметровый воздуховод, ступенчатый импедансный воздуховод, аттенюаторы 20 дБ и 50 дБ с данными об устройствах, измеренными производителем и хранящимися как на гибком диске, так и на USB-накопителе. В старых версиях 85055A данные хранятся на ленте и гибких дисках, а не на USB-накопителях.

Измерения коэффициента шума

Три основных производителя ВАЦ, Keysight, Анрицу, и Rohde & Schwarz, все производят модели, которые позволяют использовать измерения коэффициента шума. Векторная коррекция ошибок обеспечивает более высокую точность, чем это возможно с другими формами коммерческих измерителей коэффициента шума.

Смотрите также

• Плоттер Боде
• Электрические измерения
• Сетевой анализатор (питание переменного тока)
• Векторный анализатор сигналов
• Диаграмма Смита

Примечания

Рекомендации

• Keysight Technologies (9 июня 2003 г.), Электронные и механические калибровочные комплекты: методы и точность калибровки (PDF), Белая книга, Keysight Technologies
• Keysight Technologies (13 июля 2006 г.), Определение стандартов калибровки для анализатора цепей Agilent 8510 (PDF), Рекомендации по применению 8510-5B, Keysight Technologies
• Дансмор, Джоэл П. (сентябрь 2012 г.), Справочник по измерениям компонентов СВЧ: с использованием передовых методов ВАЦ, Wiley, ISBN  978-1-1199-7955-5

внешняя ссылка

• Основы сетевого анализатора (PDF, 5,69 МБ), от Agilent
• Учебник по векторному сетевому анализу (PDF, 123 КБ), из Anritsu
• Анализ сети больших сигналов (PDF, 3,73 МБ), доктор Ян Верспехт
• Доморощенный ВНА Пол Кичак, N2PK
• Измерение частотной характеристики (PDF, 961 КБ), доктор Рэй Ридли
• Основы работы с векторным ВЧ анализатором цепей
• Основы RF для векторных анализаторов цепей