Спробуємо зрозуміти загалом, як працює цей важливий для якісних радіочастотних вимірювань прилад

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest® з аналізаторами спектра, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти наведені наприкінці цього розділу.

Розуміння внутрішньої роботи векторних аналізаторів ланцюгів

У цій статті ми досліджуємо, як джерело сигналу та приймачі ВАЦ забезпечують його роботу.

Векторні аналізатори ланцюгів (ВАЦ), мабуть, є найбільш складним та універсальним випробувальним обладнанням у галузі радіочастотної техніки. Вимірюючи пряму та зворотну хвилю, що біжить, ВАЦ можуть оцінити реакцію пристрою, що тестується.

На малюнку 1 показано базову блок-схему типового ВАЦ (VNA).

Мал. 1. Базова блок-схема VNA

ВАЦ використовує внутрішнє джерело для генерації відомого стимулюючого сигналу, який потім подається на вхідний порт пристрою. Частина сигналу відбивається від вхідного порту, а частина проходить через тестований пристрій і досягає вихідного порту. ВАЦ характеризує параметри пристрою з точки зору коефіцієнтів відбиття та передачі, вимірюючи амплітуду і фазу як падаючих, так і відбитих хвиль.

Щоб зрозуміти, що впливає на продуктивність VNA, необхідно ознайомитися з його внутрішньою архітектурою. У цій статті основну увагу приділено генераторам і приймачам сигналів ВАЦ.

Компоненти джерела ВАЦ

Для основних вимірювань S-параметрів внутрішнє джерело ВАЦ повинно генерувати однотональний синусоїдальний сигнал. Для складніших вимірювань можуть використовуватись багатотональні або модульовані сигнали. Частота та потужність внутрішнього джерела також мають регулюватися.

У ВАЦ використовується система фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ), як показано на малюнку 2.

Мал. 2. Спрощена блок-схема ФАПЧ

Продуктивність системи ФАПЧ значною мірою залежить від характеристик генератора, що перебудовується. Найпоширеніші варіанти:

1. Генератори, керовані напругою (ГУН).
2. Генератори з налаштуванням на залізо-ітрієвому гранаті (YIG).

ГУН базуються на LC-резонаторах або мікросмужкових резонаторах та використовують варакторні діоди для реалізації змінної ємності. Через відносно низьку добротність широкосмугові ГУН мають вищий фазовий шум, ніж YIG-генератори.

Завдяки низькому фазовому шуму та широкому діапазону перебудови YIG-генератори є основою багатьох сучасних широкосмугових генераторів сигналів.

Мал. 3. Генератори серії MLOS з налаштуванням YIG

YIG-генератори

Ітрій-залізний гранат (YIG) - синтетичний феримагнітний матеріал з унікальними магнітними та мікрохвильовими властивостями. Резонатор YIG має форму невеликої сфери діаметром близько 500 мкм.

Мал. 4. Сфера YIG, закріплена на керамічному стрижні

Резонансна частота сфери лінійно залежить від напруженості магнітного поля та регулюється зміною струму через електромагніт. Добротність такого резонатора може досягати 4000 на частоті 10 ГГц.

Переваги та недоліки YTO порівняно з VCO

Переваги YTO:

• Низький широкосмуговий фазовий шум.
• Широкий діапазон налаштування.
• Лінійна характеристика перебудови.

Недоліки:

• Ефект гістерезису та нижча швидкість перебудови.
• Більші габарити.
• Вищі енергоспоживання та вартість.

Спектральна чистота та вимоги до фазового шуму

Фазовий шум джерела впливає на всі вимірювання. Для вимірювання лінійних характеристик вимоги до спектральної чистоти можуть бути менш жорсткими, але під час аналізу нелінійних параметрів, таких як інтермодуляційні спотворення або зсув частоти, вплив небажаних спектральних компонентів значно зростає.

VNA-приймачі

На вхідному порту ВАЦ використовуються приймачі для вимірювання падаючих та відбитих хвиль. Один приймач працює як опорний канал, інший - як вимірювальний. На вихідному порту також встановлений приймач для аналізу сигналу, що пройшов через пристрій.

Оскільки безпосередньо визначати амплітуду та фазу високочастотних сигналів складно, приймачі перетворюють їх у низькочастотні сигнали, які потім оцифровуються та обробляються цифровими методами.

Архітектура гетеродинного приймача

Приймачі VNA побудовані за гетеродинною архітектурою, де змішуються два сигнали різної частоти: вхідний сигнал та сигнал локального генератора.

Мал. 5. Спрощена блок-схема каналів ВАЦ

Кожен високочастотний сигнал проходить такі етапи:

1. Смуговий фільтр.
2. Вхід у ВЧ-змішувач.
3. Змішування з сигналом локального генератора.
4. Проходження через фільтр нижніх частот.
5. Оцифрування АЦП.
6. Передача до DSP.

Проміжна частота визначається формулою:

fIF = (fRF - fLO)

Фільтр нижніх частот обмежує смугу сигналу та запобігає накладанню спектрів при оцифруванні.

Цифровий сигнальний процесор

На малюнку 6 показані основні функції DSP у складі ВАЦ.

Мал. 6. Спрощена блок-схема DSP у ВАЦ

DSP містить цифровий понижувальний перетворювач (DDC), який виконує цифрову обробку сигналів проміжної частоти. Далі обчислюються амплітудні та фазові співвідношення між опорним і тестовим сигналами для визначення характеристик пристрою.

Підбиття підсумків

У цій статті ми розглянули внутрішню архітектуру векторних аналізаторів ланцюгів, особливості їхніх джерел сигналу, YIG-генераторів, приймачів та цифрової обробки сигналів. Розуміння цих вузлів дозволяє краще оцінити можливості сучасних ВАЦ та їхній вплив на точність вимірювань.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник аналізаторів спектра в Україні:
купити аналізатор спектра в Україні

Постачання зі складу та на замовлення