Анализатор сетевых параметров электрических цепей

Введение

Прибор для измерения сетевых параметров электрических сетей

Сетевой анализатор – это прибор, измеряющий сетевые параметры электрических сетей. В настоящее время сетевые анализаторы чаще всего измеряют S-параметры, поскольку отражение и прохождение сигнала в электрических сетях легко измерить на высоких частотах, однако существуют и другие наборы сетевых параметров, такие как Y-параметры, Z-параметры и H-параметры. Сетевые анализаторы часто используются для характеристики двухпортовых сетей, например, усилителей и фильтров, но их можно применять и к сетям с любым количеством портов.

Архитектура

Основная архитектура сетевого анализатора включает в себя генератор сигнала, измерительный модуль, один или несколько приемников и дисплей. В некоторых конфигурациях эти блоки представляют собой отдельные приборы. Большинство векторных анализаторов цепей (VNA) имеют два измерительных порта, что позволяет измерять четыре S-параметра, однако коммерчески доступны приборы с числом портов, превышающим два.

Генератор сигнала

Сетевому анализатору необходим тестовый сигнал, который может предоставить генератор сигнала или источник сигнала. В старых сетевых анализаторах не было встроенного генератора сигнала, но они имели возможность управления внешним генератором сигнала, например, через интерфейс GPIB. Почти все современные сетевые анализаторы оснащены встроенным генератором сигнала. Высокопроизводительные сетевые анализаторы имеют два встроенных источника сигнала. Наличие двух встроенных источников полезно для таких применений, как тестирование смесителей, где один источник обеспечивает ВЧ-сигнал, а другой – гетеродин, или тестирование интермодуляции усилителей, где для проведения теста требуются два тона.

Набор для испытаний

Испытательный набор принимает выход сигнала генератора и направляет его на испытываемое устройство, а сигнал, подлежащий измерению, – на приемники. Часто от него выделяется эталонный канал для отражённой волны. В SNA эталонный канал может быть подключен к диодному детектору (приемнику), выход которого поступает на автоматическую регулировку уровня генератора сигнала. Это обеспечивает лучший контроль выходного сигнала генератора и более высокую точность измерений. В VNA эталонный канал направляется к приемникам и служит для фазовой синхронизации. Для разделения сигнала используются направленные ответвители или делители мощности на двух резисторах. Некоторые микроволновые испытательные наборы включают в себя входные смесители для приемников (например, наборы для HP 8510).

Приемник

Приемники выполняют измерения. Сетевой анализатор имеет один или несколько приемников, подключенных к его тестовым портам. Эталонный тестовый порт обычно обозначается R, а основные тестовые порты – A, B, C. Некоторые анализаторы выделяют отдельный приемник для каждого тестового порта, в то время как другие используют один или два приемника для нескольких портов. Приемник R может быть менее чувствительным, чем приемники, используемые на тестовых портах. Для SNA приемник измеряет только амплитуду сигнала. Приемником может служить детекторный диод, работающий на частоте тестирования. Самый простой SNA имеет один тестовый порт, но более точные измерения достигаются при использовании также и эталонного порта. Эталонный порт компенсирует изменения амплитуды в тестовом сигнале на плоскости измерения. Возможно использование одного детектора для обоих портов – эталонного и тестового – путем выполнения двух циклов измерений. Для VNA приемник измеряет как амплитуду, так и фазу сигнала. Для определения фазы требуется эталонный канал (R), поэтому VNA нуждается как минимум в двух приемниках. Обычно используется метод понижающего преобразования частоты для эталонного и тестового каналов, чтобы выполнять измерения на более низкой частоте. Фаза может измеряться квадратурным детектором. VNA требует как минимум два приемника, но некоторые модели имеют три или четыре приемника для одновременного измерения различных параметров. Существуют архитектуры VNA (шестипортовые), которые определяют фазу и амплитуду, основываясь только на измерениях мощности.

Процессор и дисплей

При наличии обработанного радиочастотного сигнала от приемника/детектора необходимо представить сигнал в формате, который позволяет его интерпретировать. Благодаря современным возможностям обработки, в RF-анализаторах сетей доступны весьма сложные решения. Здесь данные об отражении и прохождении сигнала форматируются для максимально удобной интерпретации информации. Большинство RF-анализаторов сетей включают в себя такие функции, как линейные и логарифмические развертки, линейное и логарифмическое представление данных, полярные диаграммы, диаграммы Смита и другие. Во многих случаях также добавляются маркеры трассы, предельные линии и критерии соответствия/несоответствия.

Измерение S-параметра с помощью анализатора векторной сети

VNA – это измерительная система, позволяющая характеризовать RF-характеристики радиочастотных и микроволновых устройств с точки зрения сетевых параметров рассеяния, или S-параметров. На диаграмме показаны основные части типичного двухпортового векторного анализатора сети (VNA). Два порта испытываемого устройства (DUT) обозначаются портом 1 (P1) и портом 2 (P2). Разъемы измерительных портов, предусмотренные на самом VNA, являются прецизионными и обычно требуют удлинения и подключения к P1 и P2 с помощью прецизионных кабелей 1 и 2, PC1 и PC2 соответственно, а также подходящих адаптеров разъемов A1 и A2 соответственно. Тестовая частота генерируется источником СВЧ с переменной частотой, а уровень мощности устанавливается с помощью переменного аттенюатора. Положение переключателя SW1 определяет направление прохождения тестового сигнала через DUT. Сначала рассмотрим положение SW1, равное 1, при котором тестовый сигнал поступает на DUT в P1, что подходит для измерения, и тестовый сигнал подается SW1 в общий порт разветвителя 1. Одна ветвь (опорный канал) подключена к опорному приемнику для P1 (RX REF1), а другая (измерительный канал) – к P1 через направленный ответвитель DC1, PC1 и A1. Третий порт DC1 отводит мощность, отраженную от P1 через A1 и PC1, и подает ее на измерительный приемник 1 (RX TEST1). Аналогично, сигналы, выходящие из P2, проходят через A2, PC2 и DC2 к RX TEST2. RX REF1, RX TEST1, RX REF2 и RXTEST2 являются когерентными приемниками, поскольку они используют один и тот же опорный генератор и способны измерять амплитуду и фазу тестового сигнала на тестовой частоте. Все выходные сигналы приемников поступают в процессор, который выполняет математическую обработку и отображает выбранные параметры и формат на дисплее фазы и амплитуды. Мгновенное значение фазы включает в себя как временную, так и пространственную составляющие, но временная составляющая устраняется за счет использования двух измерительных каналов, один в качестве опорного, а другой – для измерения. Когда SW1 устанавливается в положение 2, тестовые сигналы подаются на P2, опорный сигнал измеряется RX REF2, отражения от P2 отводятся DC2 и измеряются RX TEST2, а сигналы, выходящие из P1, отводятся DC1 и измеряются RX TEST1. Это положение подходит для измерения и .

Автоматические калибровочные приборы

Калибровка с использованием механического калибровочного комплекта может занять значительное время. Оператору необходимо не только выполнить проход по всем интересующим частотам, но и отключать и подключать различные стандарты. Чтобы избежать этой трудоемкой процедуры, в сетевых анализаторах могут использоваться автоматизированные стандарты калибровки. Оператор подключает к сетевому анализатору один модуль. Внутри модуля находится набор стандартов и коммутаторы, характеристики которых уже известны. Сетевой анализатор считывает эти характеристики и управляет конфигурацией через цифровой интерфейс, например, USB.

Комплекты проверки сетевого анализатора

Существует множество комплектов для верификации, позволяющих проверить соответствие сетевого анализатора спецификациям. Обычно они состоят из линий передачи с воздушной диэлектрической прослойкой и аттенюаторов. Комплект верификации Keysight 85055A включает в себя воздушную линию длиной 10 см, линию с каскадным импедансом, аттенюаторы 20 дБ и 50 дБ, а также данные об этих устройствах, измеренные производителем и сохраненные как на дискете, так и на USB-накопителе. В более ранних версиях 85055A данные хранились на магнитной ленте и дискетах, а не на USB-накопителях.

Измерения уровня шума

Три ведущих производителя векторных анализаторов цепей (VNA) – Keysight, Anritsu и Rohde & Schwarz – выпускают модели, поддерживающие измерения коэффициента шума. Векторная коррекция ошибок обеспечивает более высокую точность по сравнению с другими коммерческими измерителями коэффициента шума.