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

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с предлагаемыми Анализаторами спектра, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого 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, наиболее сложное и универсальное испытательное оборудование в области радиочастотной техники. Измеряя прямую и обратную бегущую волну, ВАЦ могут оценить реакцию тестируемого устройства (ИУ).

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

Рис. 1. Базовая блок-схема VNA.
Изображение предоставлено Дэвидом М. Позаром.

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

Чтобы понять, что влияет на производительность VNA, нам необходимо ознакомиться с внутренним оборудованием VNA. Предыдущие статьи этой серии были посвящены направленным ответвителям, используемым в портах VNA, — как их ключевой роли в функциональности VNA, так и их влиянию на точность измерений. В этой статье мы обратим внимание на генераторы и приемники сигналов ВАЦ.

Компоненты источника ВАЦ

Для основных измерений S-параметров внутренний источник ВАЦ должен генерировать однотональную синусоидальную волну. Для более сложных измерений нам могут потребоваться многотональные входы или модулированные сигналы для более полной характеристики ИУ. Чтобы обеспечить возможность проведения различных типов измерений, частота и мощность внутреннего источника также должны регулироваться.

В ВАЦ используется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), как показано на упрощенной блок-схеме на рисунке 2, для обеспечения необходимой стабильности частоты и спектральной чистоты.

Рис. 2. Упрощенная блок-схема ФАПЧ.
Изображение использовано с разрешения Analog Devices.

Производительность системы ФАПЧ сильно зависит от характеристик используемого в ней перестраиваемого генератора. Два распространенных варианта создания перестраиваемого ВЧ/СВЧ генератора:

1. Генераторы, управляемые напряжением (ГУН).

2. Настроенные генераторы на железо-иттриевом гранате (YIG).

Как видите, генератор на рисунке 2 — это ГУН. Большинство EE имеют хотя бы поверхностное представление о работе ГУН, поэтому мы лишь кратко рассмотрим их, прежде чем перейти к обсуждению генераторов YIG.

ГУН основаны либо на LC-резонаторах с сосредоточенными параметрами, либо на распределенных микрополосковых резонаторах и используют варакторные диоды для реализации перестраиваемого конденсатора. Обычно они имеют Q от нескольких десятков до нескольких сотен. Из-за низкой добротности и высокой чувствительности настройки широкополосные ГУН имеют более высокий фазовый шум, чем генераторы с YIG-настройкой.

Из-за низкого широкополосного фазового шума и широкого диапазона настройки YIG-генераторы являются основой многих современных генераторов широкополосных сигналов. На рисунке 3 показана пара генераторов с YIG-настройкой от Micro Lambda.

Рис. 3. Генераторы серии MLOS с YIG-настройкой.
Изображение использовано с разрешения Micro Lambda.

YIG-генераторы

Иттрий-железный гранат — синтетический ферримагнитный материал, обладающий уникальными магнитными и микроволновыми свойствами. Резонатор YIG имеет форму небольшой сферы диаметром около 500 мкм, изготовленной из монокристалла материала. Сфера YIG обычно устанавливается на кончике керамического стержня, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Сфера YIG, закрепленная на керамическом стержне как часть генератора.
Изображение использовано с разрешения VHF Communications.

U-образный ремень на рисунке 4 представляет собой катушку связи, которая окружает шарик из ЖИГ, помещая его в магнитное поле электромагнита. Резонансная частота сферы является линейно пропорциональной функцией напряженности магнитного поля, которую можно регулировать путем настройки постоянного тока, проходящего через электромагнит. Относительно высокая добротность — в диапазоне 4000 на частоте 10 ГГц — достижима при использовании резонатора этого типа.

Преимущества и недостатки YTO по сравнению с VCO

YTO обладают следующими позитивными характеристиками:

• Низкий широкополосный фазовый шум.

• Очень широкий диапазон настройки.

• Очень линейная кривая настройки.

Менее благоприятно то, что YIG-генераторы демонстрируют эффекты гистерезиса, которые замедляют скорость их настройки. Это создает проблему для приложений VNA, которые требуют, чтобы источник быстро перемещался по частотам для сбора частотной характеристики ИУ. Генераторы YIG также большие, энергоемкие и дорогие по сравнению с ГУН.

Стоит отметить, что некоторые компании экспериментировали с созданием конкурентоспособных альтернатив генераторам, настроенным на YIG. Одним из примеров являются интегральные схемы ФАПЧ/ГУН, описанные в данном руководстве по применению Analog Devices.

Спектральная чистота и требования к фазовому шуму

Хотя фазовый шум источника влияет на все измерения, в некоторых случаях требования к спектральной чистоте могут быть смягчены — например, при характеристике линейного отклика устройства. Это связано с тем, что VNA знает частоту стимулирующего сигнала. Таким образом, он может настроиться на соответствующую частоту и выполнить точные измерения даже при наличии нежелательных частотных составляющих.

Однако на нелинейные измерения, такие как интермодуляционные искажения и сдвиг частоты, с большей вероятностью будут влиять нежелательные частотные компоненты источника.

VNA-приёмники

Возвращаясь к блок-схеме на рисунке 1, мы видим, что во входной порт ИУ (Порт 1) встроены два приемника для измерения падающих и отраженных волн. Приемник опорного канала обрабатывает стимул; приемник измерительного или тестового канала измеряет неизвестный отраженный сигнал.

На выходном порту тестируемого устройства (порт 2) также имеется приемник для измерения сигнала, излучаемого устройством. Анализатор цепей на рисунке 1 также позволяет нам направлять сигнал стимула на порт 2, что упрощает измерение как выходного коэффициента отражения, так и коэффициента передачи S12 ИУ. Таким образом, за каждым из портов ВАЦ имеется опорный приемник и измерительный приемник.

Поскольку определить амплитуду и фазовый угол высокочастотных сигналов сложно, приемники преобразуют входные волны в эквивалентные низкочастотные сигналы. Они, в свою очередь, преобразуются в соответствующие цифровые сигналы, которые затем используются для поиска информации об амплитуде и фазе исходных сигналов.

Интересно, что после оснащения этими приемниками VNA можно объединить с одной или несколькими антеннами для создания радиолокационной системы. Применяя методы визуализации, мы можем использовать такую радиолокационную систему для обнаружения невидимых дефектов материала, не прибегая к рентгеновским технологиям..

Архитектура гетеродинного приемника

VNA receivers commonly employ a heterodyne architecture. The term heterodyne derives from hetero (different) and dyne (to mix). Appropriately enough, these receivers mix two different-frequency signals: one from the input and one from a local oscillator.

Figure 5 shows a simplified block diagram of heterodyne reference and test channels. The input waves are labeled as VA and VB; the local oscillators are denoted by LO. A single digital signal processor (DSP) operates on the signals from both channels.

Рис. 5. Упрощенная блок-схема эталона и каналов ВАЦ.
Использовано изображение Стива Арара.

На рисунке 5 каждый высокочастотный входной сигнал:

1. Проходит через полосовой фильтр (ППФ).

2. Входит в радиочастотный микшер.

3. Смешивается с сигналом гетеродина приемника (LO).

4. Выходит из ВЧ-смесителя и проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ).

5. Проходит через аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

6. Вход в ЦСП.

Полосовой фильтр выполняет подавление изображения для радиочастотного смесителя. Затем смеситель преобразует ВЧ-вход, имеющий частоту fRF, в промежуточную частоту (fIF).

Эта частота определяется по формуле:

fIF = (fRF − fLO)

где fLO — частота гетеродина.

ВЧ-смесители играют решающую роль в динамическом диапазоне ВАЦ. Подача очень сильного сигнала на смеситель может привести к искажению, тогда как очень слабый сигнал невозможно отличить от шума. Поэтому конструкция смесителей с понижающим преобразованием обычно влечет за собой решающий компромисс между коэффициентом шума и линейностью системы.

Фильтр нижних частот промежуточной частоты (ПЧ) представляет собой следующий блок в цепочке сигналов. Этот фильтр используется для ограничения полосы пропускания сигнала, предотвращая наложение спектров в АЦП. Он также удерживает большую часть принимаемого шума в последующих звеньях цепи обработки сигнала.

Наконец, АЦП оцифровывает сигнал и передает его на DSP для дальнейшей обработки. DSP определяет соотношение амплитуд и разность фаз опорного и тестового входных сигналов. Затем он использует эту информацию для характеристики характеристик тестируемого устройства. Для получения точных измерений тестовый и эталонный приемники должны быть хорошо согласованы.

Цифровой сигнальный процессор

На рис. 6 показаны некоторые дополнительные сведения о функциях DSP.

Рис. 6. Упрощенная блок-схема DSP, используемого в векторном сетевом анализе.
Изображение использовано с разрешения Rohde & Schwarz.

Как вы можете видеть на рисунке выше, этот DSP включает в себя цифровой понижающий преобразователь (DDC) для обработки цифровой обработки ПЧ. Два цифровых умножителя используются здесь в качестве квадратурного смесителя для преобразования сигнала ПЧ с понижением частоты в постоянный ток. Если вы хотите узнать больше о функциях этой части приемника, обратитесь к «Основам векторного сетевого анализа» от Rohde & Schwarz.

Подведение итогов

В этой статье мы узнали о внутренней работе ВАЦ, изучив их источники и приемники сигналов. В следующих статьях этой серии будет объяснено, как калибровать, анализировать и улучшать производительность анализатора цепей. А пока я надеюсь, что сегодняшняя дискуссия показалась вам интересной и информативной.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик Анализаторов Спектра в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/analizatory-radiochastotnogo-spektra

Поставки со склада и под заказ