12. 10. 2014

1

Obvodový analyzátor

Ján Šaliga, 2014

Obvodový (network) analyzátor

Meranie parametrov predovšetkým vysokofrekvenčných

obvodov (štvorpólov, dvojpólov, n-branov)

Využíva princíp analýzy odrazu (priame a odrazené vlny)

S parametre a odvodené parametre (prepočet)

Obsahuje zdroj harmonického

testovacieho signálu

Všetky merania sú vztiahnuté voči

referenčnej impedancii,

najčastejšie 50, príp. 75 Ohmov

Obvodový verzus spektrálny analyzátor

Pom

er amplitú

d

Frekvencia

Am

plitú

da

Frekvencia

8563A SPECTRUM AN ALYZER 9 kHz - 26.5 GHz

Merá známy signál Merá neznáme

signály

Obvodový analyzátor Merá súčiastky zariadenia, obvody, moduly, …

Obsahuje zdroj a “príjmač” signálu

Zobrazuje pomernú amplitúdu a fázu

(frekvenčné alebo výkonové rozmietanie)

Umožňuje korekciu chýb merania

Spektrálny analyzátor Merá amplitúdové charakteristiky signálu, úroveň

nosnej, postranné pásma, harmonické zložky, …

Môže demodulovať a merať zložité signály

Obsahuje iba “príjmač” signálu (jeden kanál)

Môže byť použitý pre skálarne testy obvodov (no

phase) s viazaným alebo externým generátorom

Porovnanie obvodového a spektrálneho analyzátora

Merané parametre

Transmitted Incident

PRENOS - TRANSMISSION

Gain / Loss

S-Parameters S21, S12

Group Delay

Transmission Coefficient

Insertion Phase

Reflected Incident

ODRAZ - REFLECTION

SWR S-Parameters

S11, S22 Reflection Coefficient

Impedance, Admittance

R+jX, G+jB

Return Loss

Vstupný Incident

Odrazený Reflected

Prenesený Transmitted

A

B R

A R =

B R =

DUT

Merané parametre II.

Koeficient odrazu

Spätný útlm (return loss)

pomer stojatých vĺn ((voltage) standing wave ratio)

Prenosový činiteľ (transmission coefficient)

Vložený útlm (Insertion loss)

zisk (gain) ,

fázový posun, skupinové oneskorenie/rýchlosť

jZjZ

jZjZ

jV

jVj

L

L

incid

refl

0

0

.jej

log20RL

1

1

min

max

E

ESWR Emax

Emin

jV

jVjT

incid

trans

log20log20

incid

trans

V

VIL

incid

trans

V

VG log20

g

ggt

lv

df

d

d

dt

;

2

1

12. 10. 2014

2

S parametre (scattering) Parametre z, y, h, ... Vyjadrujú vlastnosti obvodu pri rozpojených alebo

skratovaných svorkách – nevhodné pre vf obvody a ich meranie (skrat alebo rozpojenie obvodu môže viesť k jeho poškodeniu) S11 = dopredný koeficient odrazu (prispôsobený vstup)

S22 = spätný koeficient odrazu (prispôsobený výstup)

S21 = dopredný prenosový koeficient (zisk alebo útlm)

S12 = spätný prenosový koeficient (oddelenie, izolácia)

s-parametre sú komplexné čísla ale často sa ich magnitúdy vyjadrujú v dB

Incident Transmitted S 21

S 11 Reflected S 22

Reflected

Transmitted Incident b 1

a 1 b 2

a 2 S 12

DUT

b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2 b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2

Port 1 Port 2

Principiálna schéma

Čo je smerová odbočnica

Pasívny obvod oddeľujúci spätnú vlnu od doprednej

Realizácia: mikrovlnový obvod, vf alebo nf transformátor,

mostík, ...

T/R architektúra

Najjednoduchšia (lacná ale spoľahlivá):

Stabilný zdroj harmonického signálu (frekvencia, výkon)

Referenčný prijímač (R) pripojený cez rozdeľovač výkonu alebo smerovú odbočnicu merá vektor budiaceho signálu

Prijímač A pripojený cez smerovú odbočnicu / odporový most merá vektor odrazeného signálu na vstupe (porte) A

Prijímač B merá vektor napätia na vstupe B

Prijímače:

Úzkopásmové prijímače s down konverziou (zmiešavanie, medzifrekvencia) a vektorový detektor (viď signálové analyzátory) s využitím spoločnej referencie (LO)

Meranie iba dopredných (T) parametrov (s11, s12). Pre s22 a s21 je potrebné odpojiť a obrátene znovu zapojiť DUT

Korekcia chyby na porte B je obmedzená (nie je možné pripojiť budiaci zdroj)

Úplná architektúra pre s parametre

Základná architektúra

doplnená o prepínač

budiaceho zdroja medzi

portami

Umožňuje merať všetky s

parametre

Nevýhoda: prepínač môže

vnášať dodatočnú chybu

medzi svojimi polohami,

časovo nestálu – potrebná

častá kalibrácia

Architektúra s dvoma prijímačmi

Veľmi presné merania,

Chyba prepínača je je

odstránená meraním

budiaceho signálu až za

prepínačom dvoma

samostatnými

prijímačmi R1 a R2

12. 10. 2014

3

Zdroje chýb a neistôt Priamy smer:

Frekvenčne závislý útlm pripojenia (reflection and transmission tracking)

Neprispôsobenie impedancie DUT a analyzátora (source and load match)

Chyba smerových odbočníc : Útlm signálu v meranom smere

býva bežne 10 až 30dB

Smerovosť - presluch nežiaduceho signálu (coupler lekeage) – prenos signálu z opačného ako meraného smeru

Izolácia portov (isolation) – v reálom systéme sa časť signálu z portu A dostáva na B a opačne mimo DUT (VF väzby)

Postup merania

Nastavenie podmienok merania

Funkcia

Rozsah frekvencií (center, span), podmienky preladzovania (sweep setup)

Veľkosť testovacieho signálu (power)

Šírka frekvenčného pásma detektora (súvislosť s preladzovaním)

Kalibrácia

Meranie DUT

Analýza výsledkov (kurzory, maximálne hodnoty, ...)

< -100 dBm Sensitivity

-50 dB

-100 dB

-60 dBm Sensitivity

Kalibrácia

Pred pripojením DUT je vždy nutné vykonať kalibráciu – kompenzácia vplyvu pripojenia DUT (káble, konektory, odbočnice, ...)

Kalibrácia sa vykonáva pripojením kalibrátora namiesto DUT na porty a spustením kalibračnej utility v prístroji

Kalibrátor - existuje veľa rôznych kalibrátorov a postupov, najjednoduchší: Skrat

Referenčný odpor

Rozpojený obvod

Pri meraní prenosových vlastností sa kalibruje aj prepojením portov s náhradou DUT spojkou

Zobrazenie výsledkov, analýza

Závisloti magnitúdy a fázy na frekvencii

Trajektórie v komplexnej rovine, Smithov diagram

Meranie imitancie

Prepočet z s11 alebo koeficienta odrazu

Základné možnosti:

18

Reflektometre

Meranie vedení (metalické aj optické)

Princíp:

Do vedenia sa vyšle impulz so strmými hranami

Na nehomogenitách (spoje, poruchy, zakončenia ) vznikajú odrazy

(odrazené vlny) vracajúce sa späť na vstup vedenia

Odrazy sú na vstupe zachytené a analyzované – podľa veľkosti a

polarity je možné identifikovať typ nehomogenity a z oneskorenia

vzdialenosť od začiatku vedenia (polohu).

12. 10. 2014

4

19

TDR a frekvenčné charakteristiky štvorpólu

Impulzný generátor (generátor pravouhlých impulzov) + rýchly digitalizátor

Medzi prechodovou charakteristikou a frekvenčnou charakteristikou existuje súvislosť

Postup: Generovať impulzy a zachytiť rýchlym digitalizátorom prechodovú

charakteristiku

Jej derivácia je impulzná charakteristika

Fourierova transformácia impulznej charakteristiky je AFCH

DUT

Generátor Digitalizátor

,pXppX

pXpH o

i

o

20

Princíp TDR

21

Priama a odrazená vlna

22

Analýza odrazu I.

23

Analýza odrazu II.

24

Viac spojov

a

12. 10. 2014

5

Výpočet S parametrov

26

Ďalšie metódy merania dvojbranov I

Zostava harmonický generátor + voltmeter (selektívny) – meranie amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky, harmonického a intermodulačného skreslenia – časovo veľmi zdĺhavé meranie najmä pri presných meraniach.

Obmedzenie: možnosť merať len amplitúdovú frekvenčnú charakteristiku a z nej odvodené parametre.

Postup: po zvolených krokoch obyčajne logaritmicky meniť frekvenciu budiaceho harmonického

signálu.

Súčasne snímať napätie na vstupe aj výstupe štvorpólu

Zistiť amplitúdu a fázu (fázový posun) meraných signálov (vektory)

Namerané hodnoty prepočítané na amplitúdovú a fázovú frekvenčnú charakteristiku vyniesť do grafu

LabVIEW: knižnica Sound and vibration analysis

DUT

Generátor vektorový voltmeter (aj na vstupe)

27

Ďalšie metódy merania dvojbranov II

Rozmietaný harmonický generátor (chirp signál) + osciloskop, resp. usmerňovač + osciloskop = vobler .

Obmedzenie: možnosť merať len amplitúdovú frekvenčnú charakteristiku a z nej odvodené parametre (nie skreslenie a iné dôsledky nelinearít.

Postup: Nastaviť generátor na preladzovanie (rozmietanie) vo zvolenom rozsahu

frekvencií, predpokladá sa, že napätie na výstupe generátora je pri preladzovaní konštantné

Synchronizovať osciloskop s generátorom, aby bolo možné jednoznačne určiť okamžitú frekvenciu signálu pri vyhodnotení

Vypočítať obálku meraného priebehu tvarovo zhodnú s AFCH.

Pre určenie hodnôt AFCH je potrebné poznať aj vstup štvorpólu: doporučenie merať dvoma kanálmi

DUT

Generátor Osciloskop

28

Ďalšie metódy merania dvojbranov III Zostava vf spektrálny analyzátor (SA) a viazaný harmonický generátor

(tracking generator = harmonický generátor s frekvenciou sledujúcou naladenie vstupu SA) (niekedy nie celkom správne nazývaný skalárny obvodový analyzátor – scalar network analyzer

Obmedzenia:

jednokanálové meranie (bez informácie o fáze)

obmedzenie na obvody bez transpozície spektra signálu, napr. kanál. volič TV

Meranie obvodu s frekvenčnou

transpozíciou

Frekvenčná transpozícia = zmiešavače v prijímačoch a

pod.