Анализатор сети (электрический)

Не путать с анализатором пакетов , анализатором сетевых протоколов телекоммуникаций или анализатором сети (питание переменного тока) .

Векторный анализатор цепей ZVA40 от Rohde & Schwarz .

Сетевой анализатор — это прибор, измеряющий сетевые параметры электрических сетей . Сегодня анализаторы цепей обычно измеряют s-параметры , поскольку отражение и передачу электрических сетей легко измерить на высоких частотах, но существуют и другие наборы сетевых параметров, такие как y-параметры , z-параметры и h-параметры . Сетевые анализаторы часто используются для определения характеристик двухпортовых сетей, таких как усилители и фильтры, но их можно использовать и в сетях с произвольным количеством портов .

Обзор

Сетевые анализаторы используются в основном на высоких частотах ; рабочие частоты могут находиться в диапазоне от 1 Гц до 1,5 ТГц. Специальные типы анализаторов цепей также могут охватывать более низкие частотные диапазоны до 1 Гц. Эти анализаторы цепей можно использовать, например, для анализа устойчивости разомкнутых контуров или для измерения аудио- и ультразвуковых компонентов.

Два основных типа сетевых анализаторов:

• скалярный анализатор цепей (SNA) — измеряет только амплитудные свойства.
• векторный анализатор цепей (ВАЦ) — измеряет как амплитудные, так и фазовые свойства.

ВАЦ — это разновидность анализатора радиочастотных сетей, широко используемая для проектирования радиочастотных устройств. ВАЦ также можно назвать измерителем фазы усиления или автоматическим анализатором цепей . SNA функционально идентичен анализатору спектра в сочетании со следящим генератором . По состоянию на 2007 год , VNA являются наиболее распространенным типом сетевых анализаторов, поэтому ссылки на неквалифицированный «сетевой анализатор» чаще всего означают VNA. Шестью известными производителями векторных анализаторов цепей являются Keysight , Anritsu , Advantest , Rohde & Schwarz , Siglent, Copper Mountain Technologies и OMICRON Lab .

Векторный сетевой анализатор NanoVNA, показывающий параметры S11 и S21.

В течение нескольких лет также доступны устройства начального уровня и проекты «сделай сам», некоторые из которых менее чем за 100 долларов, в основном из сектора радиолюбительства. Хотя они имеют значительно ограниченные возможности по сравнению с профессиональными устройствами и предлагают лишь ограниченный набор функций, их часто достаточно для частных пользователей - особенно во время учебы и для хобби-приложений в диапазоне до однозначных ГГц.

Другая категория анализаторов цепей — это анализатор микроволновых переходов (MTA) или анализатор цепей больших сигналов (LSNA), которые измеряют как амплитуду, так и фазу основных гармоник. MTA был коммерциализирован до LSNA, но ему не хватало некоторых удобных функций калибровки, доступных сейчас в LSNA.

Архитектура

Базовая архитектура анализатора цепей включает генератор сигналов, испытательный комплект, один или несколько приемников и дисплей. В некоторых установках эти устройства представляют собой отдельные инструменты. Большинство ВАЦ имеют два тестовых порта, что позволяет измерять четыре S-параметра. $(S_{11},S_{21},S_{12},S_{22})$, но в продаже имеются инструменты с более чем двумя портами.

Генератор сигналов

Анализатору цепей необходим тестовый сигнал, и генератор сигналов или источник сигналов предоставят его. Старые анализаторы цепей не имели собственного генератора сигналов, но имели возможность управлять автономным генератором сигналов, используя, например, соединение GPIB . Почти все современные анализаторы цепей имеют встроенный генератор сигналов. Высокопроизводительные сетевые анализаторы имеют два встроенных источника. Два встроенных источника полезны для таких приложений, как тестирование смесителей, где один источник обеспечивает ВЧ-сигнал, другой — гетеродин; или усилителя тестирование интермодуляции , где для проверки требуются два тона.

Тестовый набор

Тестовый комплект принимает выходной сигнал генератора сигналов и направляет его на тестируемое устройство, а затем направляет сигнал, подлежащий измерению, на приемники. Часто он отщепляет опорный канал для падающей волны. В SNA опорный канал может поступать на диодный детектор (приемник), выходной сигнал которого передается на систему автоматического контроля уровня генератора сигналов. Результатом является лучшее управление выходным сигналом генератора сигналов и более высокая точность измерений. В ВАЦ опорный канал поступает к приемникам; он необходим для использования в качестве эталона фазы.

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

Получатель

Приемники производят измерения. Анализатор цепей будет иметь 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, но другие используют один или два приемника среди портов. Приемник R может быть менее чувствительным, чем приемники, используемые на тестовых портах.

В случае 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.

В анализаторе цепей приемник измеряет как величину, так и фазу сигнала. требуется опорный канал ( R Для определения фазы ), поэтому для ВАЦ требуется как минимум два приемника. Обычный метод преобразует опорный и тестовый каналы с понижением для проведения измерений на более низкой частоте. Фазу можно измерить с помощью квадратурного детектора . Для ВАЦ требуется как минимум два приемника, но некоторые из них могут иметь три или четыре приемника, чтобы обеспечить возможность одновременного измерения различных параметров.

Существуют некоторые архитектуры векторных анализаторов цепей (шестипортовые), которые определяют фазу и величину только на основе измерений мощности.

Процессор и дисплей

Имея обработанный радиочастотный сигнал, поступающий из секции приемника/детектора, необходимо отобразить сигнал в формате, который можно интерпретировать. Учитывая доступные сегодня уровни обработки, в анализаторах радиочастотных сетей доступны некоторые очень сложные решения. Здесь данные отражения и передачи форматируются так, чтобы обеспечить максимально простую интерпретацию информации. Большинство анализаторов радиочастотных цепей включают такие функции, как 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 соответствия/несоответствия.

Измерение S-параметров с помощью векторного анализатора цепей

Основные части векторного анализатора цепей

VNA — это испытательная система, которая позволяет характеризовать радиочастотные характеристики радиочастотных и микроволновых устройств с точки зрения параметров сетевого рассеяния или S-параметров.

На схеме показаны основные части типичного 2-портового векторного анализатора цепей (ВАЦ). Два порта тестируемого устройства (DUT) обозначаются портом 1 (P1) и портом 2 (P2). Разъемы тестовых портов, имеющиеся на самом ВАЦ, являются прецизионными типами, которые обычно необходимо удлинять и подключать к P1 и P2 с помощью прецизионных кабелей 1 и 2, PC1 и PC2 соответственно и подходящих адаптеров разъемов A1 и A2 соответственно.

Испытательная частота генерируется источником непрерывного сигнала переменной частоты , а уровень его мощности устанавливается с помощью регулируемого аттенюатора . Положение переключателя SW1 задает направление прохождения тестового сигнала через ИУ. Первоначально учтите, что SW1 находится в положении 1, так что тестовый сигнал падает на ИУ в точке P1, которая подходит для измерения. $S_{11}\,$ и $S_{21}\,$. Тестовый сигнал подается через SW1 на общий порт разветвителя 1, одно плечо (опорный канал) подает опорный приемник для P1 (RX REF1), а другое (тестовый канал) подключается к P1 через направленный ответвитель DC1, PC1. и А1. Третий порт DC1 передает мощность, отраженную от P1, через A1 и PC1, а затем подает ее на тестовый 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 известны как когерентные приемники, поскольку они используют один и тот же опорный генератор и способны измерять амплитуду и фазу тестового сигнала на тестовой частоте. Все сложные выходные сигналы приемника подаются на процессор, который выполняет математическую обработку и отображает выбранные параметры и формат на дисплее фазы и амплитуды. Мгновенное временную значение фазы включает в себя как , так и пространственную части, но первая удаляется за счет использования двух тестовых каналов: одного в качестве эталонного, а другого для измерения. Когда SW1 установлен в положение 2, тестовые сигналы подаются на P2, опорное значение измеряется с помощью RX REF2, отражения от P2 связываются с помощью DC2 и измеряются с помощью RX TEST2, а сигналы, выходящие с P1, снимаются с помощью DC1 и измеряются с помощью RX. ТЕСТ1. Это положение подходит для измерения $S_{22}\,$ и $S_{12}\,$.

Калибровка и исправление ошибок

Анализатор цепей, как и большинство электронных приборов, требует периодической калибровки ; обычно это выполняется один раз в год производителем или третьей стороной в калибровочной лаборатории. При калибровке прибора обычно прикрепляется наклейка с указанием даты калибровки и даты следующей калибровки. Будет выдан сертификат калибровки.

Векторный анализатор цепей обеспечивает высокую точность измерений за счет корректировки систематических ошибок прибора, характеристик кабелей, адаптеров и испытательных приспособлений. Процесс исправления ошибок, хотя его обычно называют просто калибровкой, представляет собой совершенно другой процесс и может выполняться инженером несколько раз в час. Иногда ее называют пользовательской калибровкой, чтобы указать на отличие от периодической калибровки, проводимой производителем.

Анализатор цепей имеет разъемы на передней панели, но измерения на передней панели проводятся редко. Обычно некоторые тестовые кабели подключаются от передней панели к тестируемому устройству (ТУ). 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 относится и к кабелям и соединителям внутри анализатора цепей. Все эти факторы будут меняться с температурой. Калибровка обычно включает измерение известных стандартов и использование этих измерений для компенсации систематических ошибок, но существуют методы, которые не требуют известных стандартов. Исправить можно только систематические ошибки. Случайные ошибки , такие как повторяемость разъема, не могут быть исправлены с помощью пользовательской калибровки. Однако некоторые портативные векторные анализаторы цепей, предназначенные для измерений с меньшей точностью вне помещений с использованием батарей, все же пытаются внести некоторую коррекцию температуры путем измерения внутренней температуры анализатора цепей.

Первые шаги перед началом пользовательской калибровки:

• Визуально осмотрите разъемы на предмет каких-либо проблем, таких как погнутые контакты или детали, явно смещенные от центра. Их не следует использовать, поскольку соединение поврежденных разъемов с исправными разъемами часто приводит к повреждению исправного разъема.
• Очистите разъемы сжатым воздухом при давлении менее 60 фунтов на квадратный дюйм.
• При необходимости очистите разъемы изопропиловым спиртом и дайте высохнуть.
• Проверьте разъемы, чтобы убедиться в отсутствии серьезных механических проблем. Датчики разъемов с разрешением от 0,001 до 0,0001 дюйма обычно входят в комплекты для калибровки более высокого качества.
• Затяните разъемы указанным моментом. Динамометрический ключ поставляется со всеми калибровочными комплектами, кроме самых дешевых.

Существует несколько различных методов калибровки.

• SOLT: аббревиатура от Short, Open, Load, Through, является самым простым методом. Как следует из названия, для этого требуется доступ к известным стандартам с коротким замыканием , разомкнутой цепью , прецизионной нагрузкой (обычно 50 Ом) и сквозным подключением. Лучше всего, если тестовые порты будут иметь один и тот же тип разъема ( N , 3,5 мм и т. д.), но разного пола, поэтому сквозное соединение требует лишь того, чтобы тестовые порты были соединены вместе. SOLT подходит для коаксиальных измерений, где можно получить короткое, разомкнутое, нагруженное и сквозное соединение. Метод калибровки SOLT менее пригоден для волноводных измерений, где сложно получить разомкнутую цепь или нагрузку, или для измерений на некоаксиальных испытательных приспособлениях, где существуют те же проблемы с поиском подходящих эталонов.
• TRL (калибровка по линии отражения): этот метод полезен для микроволновых и некоаксиальных сред, таких как приспособления, зондовые пластины или волноводы. TRL использует линию передачи, электрическая длина которой значительно длиннее, чем сквозная линия, известной длины и полного сопротивления в качестве одного стандарта. TRL также требует стандарта с высоким коэффициентом отражения (обычно короткозамкнутого или разомкнутого), полное сопротивление которого не обязательно должно быть хорошо охарактеризовано, но оно должно быть электрически одинаковым для обоих тестовых портов.

Самая простая калибровка, которую можно выполнить на анализаторе цепей, — это измерение передачи. Это не дает никакой информации о фазе и поэтому дает аналогичные данные скалярному анализатору цепей. Самая простая калибровка, которую можно выполнить на анализаторе цепей с предоставлением информации о фазе, — это калибровка по одному порту (S11 или S22, но не обе одновременно). Это объясняет три систематические ошибки, возникающие 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 тестируемым устройством.
• Отслеживание отражений — ошибка, возникающая из-за частотной зависимости измерительных проводов, соединений и т. д.

При типичной калибровке отражения с 1 портом пользователь измеряет три известных стандарта, обычно разомкнутое, короткое замыкание и известную нагрузку. На основе этих трех измерений анализатор цепей может учесть три ошибки, указанные выше.

Более сложная калибровка — это полная двухпортовая калибровка коэффициента отражения и передачи. Для двух портов существует 12 возможных систематических ошибок, аналогичных трем выше. Самый распространенный метод их устранения включает измерение короткого, нагрузочного и открытого стандарта на каждом из двух портов, а также передачу между двумя портами.

Невозможно создать идеальное короткое замыкание, так как в коротком замыкании всегда будет некоторая индуктивность. Невозможно сделать идеальную разомкнутую цепь, так как всегда будет некоторая пограничная емкость. Современный сетевой анализатор хранит данные об устройствах 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 определяется 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 ряда стандартов, используемых в калибровочных комплектах Keysight, можно найти по адресу http://na.support.keysight.com/pna/caldefs/stddefs.html. Определения стандартов для конкретного калибровочного комплекта часто меняются в зависимости от частотный диапазон анализатора цепей. Если калибровочный комплект работает до 9 ГГц, а конкретный анализатор цепей имеет максимальную рабочую частоту 3 ГГц, то емкость открытого стандарта можно более точно аппроксимировать до 3 ГГц, используя другой набор коэффициентов, чем тот, который необходим для работают до 9 ГГц.

В некоторых калибровочных комплектах данные на «папах» отличаются от «мама», поэтому пользователю необходимо указать пол разъема. В других калибровочных комплектах (например, Keysight 85033E 9 ГГц 3,5 мм) «папа» и «мама» имеют идентичные характеристики, поэтому пользователю не нужно указывать пол. Для бесполых разъемов, таких как APC-7 , такой проблемы не возникает.

Большинство сетевых анализаторов имеют возможность использования определяемого пользователем калибровочного комплекта. Таким образом, если у пользователя есть конкретный калибровочный комплект, сведения о котором отсутствуют в микропрограмме анализатора цепей, данные о комплекте можно загрузить в анализатор цепей и, таким образом, использовать комплект. Обычно данные калибровки можно ввести на передней панели прибора или загрузить с носителя, такого как дискета или USB-накопитель , или по шине, например USB или GPIB.

Более дорогие калибровочные комплекты обычно включают в себя динамометрический ключ для правильной затяжки разъемов и калибр для проверки отсутствия грубых ошибок в разъемах.

Автоматизированные калибровочные приспособления

Калибровка с использованием механического калибровочного комплекта может занять значительное время. Оператор должен не только просмотреть все интересующие частоты, но также отключить и снова подключить различные стандарты. ( Keysight Technologies 2003 , стр. 9) Чтобы избежать этой работы, сетевые анализаторы могут использовать стандарты автоматической калибровки. ( Keysight Technologies 2003 ) Оператор подключает один блок к анализатору сети. Внутри коробки находится набор эталонов и несколько уже охарактеризованных переключателей. Сетевой анализатор может считывать характеристики и управлять конфигурацией с помощью цифровой шины, например USB.

Комплекты для проверки сетевых анализаторов

Доступно множество наборов для проверки, позволяющих убедиться, что сетевой анализатор работает в соответствии со спецификациями. Обычно они состоят из линий передачи с воздушным диэлектриком и аттенюаторами. В комплект проверки Keysight 85055A входит воздуховод длиной 10 см, воздуховод со ступенчатым сопротивлением, аттенюаторы на 20 дБ и 50 дБ с данными об устройствах, измеренными производителем и хранящимися как на дискете, так и на флэш-накопителе USB. В более старых версиях 85055A данные хранятся на лентах и ​​дискетах, а не на USB-накопителях.

Измерения коэффициента шума

Все три основных производителя ВАЦ — Keysight , Anritsu и Rohde & Schwarz — производят модели, позволяющие использовать измерения коэффициента шума. Векторная коррекция ошибок обеспечивает более высокую точность, чем это возможно с другими типами коммерческих измерителей коэффициента шума.

См. также

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

Ссылки

• Keysight Technologies (9 июня 2003 г.), Электронные и механические калибровочные комплекты: методы калибровки и точность (PDF) , Технический документ, Keysight Technologies
• Keysight Technologies (3 декабря 2019 г.), Определение стандартов калибровки для сетевого анализатора Keysight 8510 (PDF) , Рекомендации по применению 8510-5B, Keysight Technologies
• Дансмор, Джоэл П. (сентябрь 2012 г.), Справочник по измерениям микроволновых компонентов: с использованием передовых методов векторного анализатора цепей , Wiley, ISBN  978-1-1199-7955-5

Внешние ссылки

• Основы сетевого анализатора. Архивировано 4 февраля 2020 г. на Wayback Machine (PDF, 5,69 МБ), от Keysight.
• Учебник по векторному сетевому анализу (PDF, 123 КБ) от Anritsu
• Анализ сетей больших сигналов (PDF, 3,73 МБ), Ян Верспехт
• Домашняя VNA от Пола Кицяка, N2PK
• Измерение частотной характеристики (PDF, 961 КБ), Рэй Ридли
• Основы векторного анализатора радиочастотных цепей
• Основы радиочастотного анализа векторных анализаторов цепей