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

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з пропонованими Аналізаторами спектру, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї 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, найбільш складне та універсальне випробувальне обладнання в галузі радіочастотної техніки. Вимірюючи пряму і зворотну хвилю, що біжить, ВАЦ можуть оцінити реакцію тестованого пристрою (ІУ).

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

Мал. 1. Базова блок-схема VNA.
Зображення надано Девідом М. Позар.

ВАЦ використовує внутрішнє джерело для генерації відомого стимулюючого сигналу, який потім подається на вхідний порт ІП. Частина сигналу відображається від вхідного порту, а частина проходить через пристрій, що тестується, і досягає вихідного порту. ВАЦ характеризує характеристики ИУ з погляду коефіцієнтів відбиття і передачі, вимірюючи величину і фазу як падаючих, і відбитих хвиль кожному порту.

Щоб зрозуміти, що впливає на продуктивність VNA, нам необхідно ознайомитись із внутрішнім обладнанням VNA. Попередні статті цієї серії були присвячені спрямованим відгалужувачам, що використовуються в портах VNA, - як їх ключової ролі у функціональності VNA, так і їх впливу на точність вимірювань. У цій статті ми звернемо увагу на генератори та приймачі сигналів ВАЦ.

Компоненти джерела ВАЦ

Для основних вимірювань S-параметрів внутрішній джерело ВАЦ має генерувати однотональну синусоїдальну хвилю. Для більш складних вимірювань нам можуть знадобитися багатотональні входи або модульовані сигнали для повнішої характеристики ВП. Щоб забезпечити можливість проведення різних типів вимірювань, частота та потужність внутрішнього джерела також мають регулюватися.

У ВАЦ використовується система фазової автопідстроювання частоти (ФАПЧ), як показано на спрощеній блок-схемі на малюнку 2, для забезпечення необхідної стабільності частоти та спектральної чистоти.

Мал. 2. Спрощена блок-схема ФАПЛ.
Зображення використано з роздільної здатності Analog Devices.

Продуктивність системи ФАПЧ сильно залежить від характеристик використовуваного в ній генератора, що перебудовується. Два поширені варіанти створення ВЧ/НВЧ генератора, що перебудовується:

1. Генератори, керовані напругою (ГУН).

2. Налаштовані генератори на залізо-ітрієвому гранаті (YIG).

Як бачите, генератор малюнку 2 — це ГУН. Більшість EE мають хоча б поверхове уявлення про роботу ГУН, тому ми коротко розглянемо їх, перш ніж перейти до обговорення генераторів YIG.

ГУН засновані або на LC-резонаторах із зосередженими параметрами, або на розподілених мікросмужкових резонаторах і використовують варакторні діоди для реалізації конденсатора, що перебудовується. Зазвичай вони мають Q від кількох десятків до кількох сотень. Через низьку добротність і високу чутливість налаштування широкосмугові ГУН мають більш високий фазовий шум, ніж генератори з YIG-налаштуванням.

Через низький широкосмуговий фазовий шум і широкий діапазон налаштування YIG-генератори є основою багатьох сучасних генераторів широкосмугових сигналів. На малюнку 3 показано пару генераторів з YIG-настроюванням від Micro Lambda.

Мал. 3. Генератори серії MLOS з налаштуванням YIG.
Зображення використане з роздільної здатності Micro Lambda.

YIG-генератори

Іттрій-залізний гранат - синтетичний феримагнітний матеріал, що володіє унікальними магнітними та мікрохвильовими властивостями. Резонатор YIG має форму невеликої сфери діаметром близько 500 мкм, що виготовлена з монокристалу матеріалу. Сфера YIG зазвичай встановлюється на кінчику керамічного стрижня, як показано малюнку 4.

Мал. 4. Сфера YIG, що закріплена на керамічному стрижні як частина генератора.
Зображення використане з роздільної здатності VHF Communications.

U-подібний ремінь на малюнку 4 являє собою котушку зв'язку, яка оточує кульку з ЖИГ, поміщаючи її в магнітне поле електромагніту. Резонансна частота сфери є лінійно пропорційною функцією напруженості магнітного поля, яку можна регулювати шляхом налаштування постійного струму через електромагніт. Відносно висока добротність - в діапазоні 4000 на частоті 10 ГГц - можна досягти при використанні резонатора цього типу.

Переваги та недоліки YTO порівняно з VCO

YTO мають такі позитивні характеристики:

• Низький широкосмуговий фазовий шум.

• Дуже широкий діапазон налаштувань.

• Дуже лінійна крива налаштування.

Менш сприятливо те, що YIG-генератори демонструють ефекти гістерези, які уповільнюють швидкість їх налаштування. Це створює проблему для додатків VNA, які вимагають, щоб джерело швидко переміщалося частотами для збору частотної характеристики ВП. Генератори YIG також великі, енергоємні та дорогі порівняно з ГУН.

Варто зазначити, деякі компанії експериментували зі створенням конкурентоспроможних альтернатив генераторам, налаштованим на YIG. Одним із прикладів є інтегральні схеми ФАПЧ/ГУН, описані в цьому посібнику із застосування Analog Devices.

Спектральна чистота та вимоги до фазового шуму

Хоча фазовий шум джерела впливає на всі вимірювання, в деяких випадках вимоги до спектральної чистоти можуть бути пом'якшені, наприклад, при характеристиці лінійного відгуку пристрою. Це з тим, що VNA знає частоту стимулюючого сигналу. Таким чином, він може налаштуватись на відповідну частоту і виконати точні вимірювання навіть за наявності небажаних частотних складових.

Однак на нелінійні вимірювання, такі як інтермодуляційні спотворення та зсув частоти, з більшою ймовірністю впливатимуть небажані частотні компоненти джерела.

VNA-приймачі

Повертаючись до блок-схеми малюнку 1, бачимо, що у вхідний порт ИУ (Порт 1) вбудовані два приймача для виміру падаючих і відбитих хвиль. Приймач опорного каналу обробляє стимул; приймач вимірювального чи тестового каналу вимірює невідомий відбитий сигнал.

На вихідному порту пристрою (порт 2) також є приймач для вимірювання сигналу, випромінюваного пристроєм. Аналізатор ланцюгів малюнку 1 також дозволяє нам направляти сигнал стимулу на порт 2, що спрощує вимірювання як вихідного коефіцієнта відбиття, і коефіцієнта передачі S12 ИУ. Таким чином, за кожним із портів ВАЦ є опорний приймач та вимірювальний приймач.

Оскільки визначити амплітуду та фазовий кут високочастотних сигналів складно, приймачі перетворюють вхідні хвилі на еквівалентні низькочастотні сигнали. Вони, у свою чергу, перетворюються на відповідні цифрові сигнали, які потім використовуються для пошуку інформації про амплітуд і фазу вихідних сигналів.

Цікаво, що після оснащення цими приймачами VNA можна поєднати з однією або декількома антена для створення радіолокаційної системи. Застосовуючи методи візуалізації, ми можемо використовувати таку систему радіолокації для виявлення невидимих дефектів матеріалу, не вдаючись до рентгенівських технологій.

Архітектура гетеродинного приймача

VNA receivers являють собою спільну працю на heterodyne архітектури. The term heterodyne derives from hetero (different) and dyne (to mix). Прийнятно приємно, ці receivers mix дві різні-frequency сигнали: один від введення і один від місцевого освітлення.

Figure 5 показує simplified blok diagram of heterodyne reference and test channels. The input waves are labeled as VA and VB; місцеві освітні заклади були віднесені до LO. На одному цифровому сигнальному процесорі (DSP) працюють на сигналах від каналів.

Мал. 5. Спрощена блок-схема зразка та каналів ВАЦ.
Використання зображення Стіва Арара.

На малюнку 5 кожен високочастотний вхідний сигнал:

1. Проходить через смуговий фільтр (ППФ).

2. Входить у радіочастотний мікшер.

3. Змішується із сигналом гетеродина приймача (LO).

4. Виходить із ВЧ-змішувача та проходить через фільтр нижніх частот (ФНЧ).

5. Проходить через аналого-цифровий перетворювач (АЦП).

6. Вхід до ЦСП.

Смужний фільтр виконує пригнічення зображення радіочастотного змішувача. Потім змішувач перетворює ВЧ-вхід, що має частоту fRF, проміжну частоту (fIF).

Ця частота визначається за такою формулою:

fIF = (fRF − fLO)

де fLO – частота гетеродина.

ВЧ-змішувачі грають вирішальну роль динамічному діапазоні ВАЦ. Подача дуже сильного сигналу на змішувач може призвести до спотворення, тоді як слабкий сигнал неможливо відрізнити від шуму. Тому конструкція змішувачів з понижувальним перетворенням зазвичай тягне за собою вирішальний компроміс між коефіцієнтом шуму та лінійністю системи.

Фільтр нижніх частот проміжної частоти (ПЧ) є наступним блоком в ланцюжку сигналів. Цей фільтр використовується для обмеження смуги пропускання сигналу, запобігаючи накладенню спектрів АЦП. Він також утримує більшу частину шуму, що приймається в наступних ланках ланцюга обробки сигналу.

Нарешті АЦП оцифровує сигнал і передає його на DSP для подальшої обробки. DSP визначає співвідношення амплітуд та різницю фаз опорного та тестового вхідних сигналів. Потім він використовує цю інформацію для характеристики характеристик пристрою, що тестується. Для отримання точних вимірювань тестовий та еталонний приймачі мають бути добре узгоджені.

Цифровий сигнальний процесор

На Мал. 6 наведено деякі додаткові відомості про функції DSP.

Мал. 6. Спрощена блок-схема DSP, яка використовується у векторному мережевому аналізі.
Зображення використане з роздільної здатності Rohde & Schwarz.

Як ви можете бачити на малюнку вище, цей DSP включає цифровий понижувальний перетворювач (DDC) для обробки цифрової обробки ПЧ. Два цифрових помножувача використовуються тут як квадратурний змішувач для перетворення сигналу ПЧ зі зниженням частоти в постійний струм. Якщо ви хочете дізнатися більше про функції цієї частини приймача, зверніться до «Основ векторного мережевого аналізу» Rohde & Schwarz.

Підбиття підсумків

У цій статті ми дізналися про внутрішню роботу ВАЦ, вивчивши їх джерела та приймачі сигналів. У наступних статтях цієї серії буде пояснено, як калібрувати, аналізувати та покращувати продуктивність аналізатора ланцюгів. А поки що я сподіваюся, що сьогоднішня дискусія видалася вам цікавою та інформативною.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник Аналізаторів Спектру в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnoho-spektra

Постачання зі складу та на замовлення