Попробуем понять в общих чертах, как работает этот важный для качественных радиочастотных измерений прибор

Ссылка на страницу сайта Магазина Gtest® с предлагаемыми анализаторами спектра, а также рекомендуемыми приборами и статьями для дальнейшего самообразования приведена в конце данного раздела.

Понимание внутренней работы векторных анализаторов цепей

В этой статье мы исследуем, как источник сигнала и приемники ВАЦ обеспечивают его работу.

Векторные анализаторы цепей (ВАЦ), пожалуй, являются наиболее сложным и универсальным испытательным оборудованием в области радиочастотной техники. Измеряя прямую и обратную бегущую волну, ВАЦ могут оценить реакцию тестируемого устройства.

На рисунке 1 показана базовая блок-схема типичного ВАЦ (VNA).

Рис. 1. Базовая блок-схема VNA

ВАЦ использует внутренний источник для генерации известного стимулирующего сигнала, который затем подается на входной порт тестируемого устройства. Часть сигнала отражается от входного порта, а часть проходит через устройство и достигает выходного порта. ВАЦ характеризует параметры устройства с точки зрения коэффициентов отражения и передачи, измеряя амплитуду и фазу как падающих, так и отраженных волн.

Чтобы понять, что влияет на производительность VNA, необходимо ознакомиться с его внутренней архитектурой. В данной статье основное внимание уделено генераторам и приемникам сигналов ВАЦ.

Компоненты источника ВАЦ

Для основных измерений S-параметров внутренний источник ВАЦ должен генерировать однотональный синусоидальный сигнал. Для более сложных измерений могут использоваться многотональные или модулированные сигналы. Частота и мощность внутреннего источника также должны регулироваться.

В ВАЦ используется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Упрощенная блок-схема ФАПЧ

Производительность системы ФАПЧ во многом зависит от характеристик используемого перестраиваемого генератора. Наиболее распространенные варианты:

1. Генераторы, управляемые напряжением (ГУН).
2. Генераторы с настройкой на железо-иттриевом гранате (YIG).

ГУН основаны на LC-резонаторах или микрополосковых резонаторах и используют варакторные диоды для реализации перестраиваемой емкости. Из-за относительно низкой добротности широкополосные ГУН обладают более высоким фазовым шумом по сравнению с YIG-генераторами.

Благодаря низкому фазовому шуму и широкому диапазону перестройки YIG-генераторы являются основой многих современных широкополосных генераторов сигналов.

Рис. 3. Генераторы серии MLOS с YIG-настройкой

YIG-генераторы

Иттрий-железный гранат (YIG) - синтетический ферримагнитный материал с уникальными магнитными и микроволновыми свойствами. Резонатор YIG имеет форму небольшой сферы диаметром около 500 мкм.

Рис. 4. Сфера YIG, закрепленная на керамическом стержне

Резонансная частота сферы линейно зависит от напряженности магнитного поля и регулируется изменением тока через электромагнит. Добротность такого резонатора может достигать 4000 на частоте 10 ГГц.

Преимущества и недостатки YTO по сравнению с VCO

Преимущества YTO:

• Низкий широкополосный фазовый шум.
• Очень широкий диапазон настройки.
• Линейная характеристика перестройки.

Недостатки:

• Эффект гистерезиса и более низкая скорость перестройки.
• Большие габариты.
• Высокое энергопотребление и стоимость.

Спектральная чистота и требования к фазовому шуму

Фазовый шум источника влияет на все измерения. Для измерения линейных характеристик требования к спектральной чистоте могут быть менее строгими, однако при анализе нелинейных параметров, таких как интермодуляционные искажения или сдвиг частоты, влияние нежелательных спектральных составляющих значительно возрастает.

VNA-приемники

Во входном порту ВАЦ используются приемники для измерения падающих и отраженных волн. Один приемник работает как опорный канал, другой - как измерительный. На выходном порту также установлен приемник для анализа сигнала, прошедшего через устройство.

Поскольку непосредственно определять амплитуду и фазу высокочастотных сигналов сложно, приемники преобразуют их в низкочастотные сигналы, которые затем оцифровываются и обрабатываются цифровыми методами.

Интересно, что после оснащения такими приемниками VNA можно объединить с одной или несколькими антеннами для создания радиолокационной системы, способной выявлять скрытые дефекты материалов без использования рентгеновских технологий.

Архитектура гетеродинного приемника

Приемники VNA обычно построены по гетеродинной архитектуре, где смешиваются два сигнала разной частоты: входной сигнал и сигнал локального генератора.

Рис. 5. Упрощенная блок-схема каналов ВАЦ

Каждый высокочастотный сигнал проходит следующие этапы:

1. Полосовой фильтр.
2. Вход в ВЧ-смеситель.
3. Смешивание с сигналом гетеродина (LO).
4. Прохождение через фильтр нижних частот.
5. Оцифровка АЦП.
6. Передача данных в DSP.

Промежуточная частота определяется формулой:

fIF = (fRF - fLO)

где fLO - частота гетеродина.

ВЧ-смесители играют важнейшую роль в динамическом диапазоне ВАЦ. Слишком сильный сигнал вызывает искажения, а слишком слабый невозможно отличить от шума. Поэтому конструкция смесителей представляет собой компромисс между коэффициентом шума и линейностью.

Фильтр нижних частот ограничивает полосу сигнала и предотвращает наложение спектров при работе АЦП.

После оцифровки DSP определяет соотношение амплитуд и разность фаз между опорным и измерительным сигналами, что позволяет вычислить параметры тестируемого устройства.

Цифровой сигнальный процессор

На рисунке 6 показаны основные функции DSP в составе ВАЦ.

Рис. 6. Упрощенная блок-схема DSP в векторном анализаторе цепей

DSP включает цифровой понижающий преобразователь (DDC), выполняющий обработку сигналов промежуточной частоты. Далее вычисляются амплитудные и фазовые соотношения между опорным и тестовым сигналами для определения характеристик устройства.

Подведение итогов

В этой статье мы рассмотрели внутреннюю архитектуру векторных анализаторов цепей, особенности их источников сигналов, YIG-генераторов, приемников и цифровой обработки сигналов. Понимание этих узлов позволяет лучше оценить возможности современных ВАЦ и их влияние на точность измерений.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик анализаторов спектра в Украине:
купить анализатор спектра в Украине

Поставки со склада и под заказ