Векторный анализатор цепей (VNA) позволяет проводить измерения амплитудных и фазовых характеристик исследуемого устройства (ИУ или DUT — Device Under Test), например, антенны, аттенюатора или усилителя мощности, в заданном частотном диапазоне. Этот анализ характеризует матрицу рассеяния многополюсников (в случае 2х-портового прибора — четырёхполюсников) при помощи комплексных коэффициентов отражения (S11) и коэффициентов передачи (S21). Эти параметры необходимы, например, для разработки согласующей цепи усилителя мощности. С помощью информации о фазе также можно рассчитать временные задержки при прохождении сигналов через компоненты цепи (ГВЗ — групповое время запаздывания).
На рис.1 показан принцип измерения S-параметров. Эти параметры могут быть рассчитаны с использованием комплексных коэффициентов aх и bх. Например, a1 относится к падающей волне на ИУ, а b1 — к отраженной волне. Коэффициент передачи после ИУ обозначается как b2. В анализаторах RIGOL серии RSA5000N падающая волна может быть сгенерирована только портом 1 (т.к. только в этот порт встроен следящий генератор и КСВН-мост), поэтому a2 равен 0.
Векторный анализ цепей (VNA) в анализаторах спектра RIGOL серий RSA5000N и RSA3000N позволяет проводить три типа измерений, таких как
- Измерение коэффициента отражения
- Измерение коэффициента передачи
- Измерение расстояния до неоднородности (DTF- Distance To Fault).
Все эти измерения имеют различные виды отображения, что позволяет определять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) испытываемого устройства, фазу, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН или VSWR — Voltage Standing Wave Ratio) и выводить результаты измерений на диаграмме Смита, в линейных и полярных координатах.
Калибровка
Перед любыми измерениями требуется проведение процедуры калибровки. Каждое измерение включает различные механизмы ошибок, которые можно минимизировать с помощью калибровки, что повышает качество и точность измерений. Это реализуется использованием калибровочных эталонов с известными характеристиками:
- типа «ХХ» (Open) / «Нагрузка» (Load) / «КЗ» (Short), которые используются для однопортовых измерений параметра S11
- типа «Перемычка» (Through) используемая для измерений параметра S12
Например, параметры калибровочных наборов RIGOL CK106A (DC – 6,5 ГГц) и CK106E (DC – 1,5 ГГц) известны и уже интегрированы в приборы. С учётом этих значений производится калибровка. Если используются калибровочные наборы сторонних производителей, то их параметры должны быть загружены в прибор. На рис. 2 и 3 представлены измерения параметров полосового фильтра без и с применением калибровки.
Измерение S11
Измерение коэффициента отражения играет важную роль в определении характеристик сложных систем. Коэффициент отражения описывает соотношение между падающей и отраженной волной. Существует множество различных инструментов для проведения этого измерения, например диаграмма Смита. Она содержит наибольшее количество информации, такую как:
- Комплексный импеданс и инструменты для определения согласования (компенсация индуктивного/емкостного реактивного сопротивления);
- Комплексный коэффициент отражения;
- Влияние активной емкости или индуктивности;
- Влияние частотного диапазона и отображение частотной характеристики;
- Коэффициент добротности (Q-фактор) РЧ-компонентов;
- Влияние длины кабеля;
- Определение потерь в кабеле.
Для параметра S11 также возможен режим отображения потерь на отражение и КСВН в зависимости от частоты. КСВН относится к максимальным и минимальным значениям напряжения, передаваемого и отраженного компонентом. Разница с коэффициентом отражения заключается в том, что КСВН не зависит от фазы.
При измерениях S11 и S21 в анализаторах RIGOL можно измерять и отображать фазу и групповую задержку в желаемом частотном диапазоне
Измерение S21
S21 определяет затухание амплитуды сигнала в заданном частотном диапазоне, которое можно измерить с большой точностью после калибровки Through. Измерение этого параметра можно использовать для определения АЧХ по уровню -3 дБ, изменение фазы и ГВЗ полосового фильтра.
Измерение расстояния до места повреждения (DTF)
Одним из расширенных типов измерений в режиме VNA является возможность преобразования данных, полученных при измерениях в частотной области во временную область (с помощью обратного преобразования Фурье). Временное отображение можно использовать, например, для локализации дефектов на кабельных сборках. В частотной области неоднородности были бы отображены только в общем виде, однако в режиме DTF области неоднородностей хорошо прослеживаются, и с помощью маркера можно измерить точное расстояние до повреждений. Для проведения измерений в режиме DTF необходимо выполнить ту же калибровку, что и для измерения S11 и так же учитывать коэффициент замедления радиосигнала в материале, из которого изготовлена кабельная сборка и потери в кабеле, чтобы повысить точность измерений. Оба этих значения указаны в спецификациях проявителей кабелей.
Подытожим вышесказанное.
- С помощью современных векторных анализаторов облегчается определение S-параметров и некоторых других величин электрических цепей.
- Одноканальные приборы используются для определения параметров электроцепей лишь на одном входе двухполюсников.
