Нажмите "Enter" чтобы переместиться к содержанию
Анализаторы цепей 657 0

Основы
векторного анализа
цепей

Внутреннее устройство гетеродинного N-портового анализатора цепей

В данной книге рассматриваются только гетеродинные векторные анализаторы цепей. Учитывая возрастающую актуальность исследований N-портовых устройств, будем предполагать, что число портов N в испытуемом устройстве произвольно.

2.1 Структурная схема

Рис. 2.1.1 Стандартная структурная схема N-портового векторного анализатора цепей.

Структурная схема рис. 2.1.1 имеет четыре главных компонента:

◆ Тестовая установка разделяет падающие и отраженные волны на тестовым порту. Выделяемые им волны поступают на измерительный канал и на опорный канал. Для изменения уровня мощности на тестовом порту используются электронные аттенюаторы. Для уменьшения уровня мощности, подаваемой на тестовый порт, могут применяться также любые ступенчатые
аттенюаторы, имеющиеся в генераторах.

◆ Генератор обеспечивает создание исходного ВЧ или СВЧ сигнала, который называют сигналом возбуждения. Дополнительный переключатель на выходе генератора, направляет сигнал возбуждения к одному из измерительных портов, который в этом случае рассматривается как активный тестовый порт.

◆ Каждая тестовая установка использует два отдельных приемника: для измерительного канала, и для опорного канала. Они называются измерительным приемником и опорным приемником. Приемники содержат узлы преобразования ВЧ сигнала в промежуточную частоту (реализация гетеродинного принципа). Далее следуют цепочки цифровой обработки сигнала. На выходах обрабатывающих цепочек образуются исходные («сырые») измерительные данные в форме комплексных численных значений.

◆ Компьютер используется для выполнения коррекции систематических ошибок, и для визуализации измерительных данных. Он также обеспечивает интерфейс пользователя, и интерфейсы дистанционного управления. В компьютере имеется предварительно установленное программное обеспечение, которое называют также встроенными программами.

В оставшейся части этого раздела будут рассмотрены индивидуальные компоненты структурной схемы, начиная с тестовой установки, проходя поочередно последующие звенья приемников, и заканчивая дисплеем для отображения измеренных данных.

2.2 Особенности устройства тестовой установки

Для измерения коэффициента отражения выделять падающие и отраженные волны, распространяющиеся к и от ИУ. Для достижения этой цели требуется применить направляющий элемент (обычно построенный на основе направленного ответвителя, или
моста). В последующем изложении выделяющий элемент будет трактоваться как трех-портовое устройство. Возможные конкретные реализации выделяющих элементов будут рассмотрены в деталях далее в разделе 2.3.

Рис. 2.2.1 Измерительная цепь с выделяющим элементом.

На рис. 2.2.1 показаны в цвете два основных сигнальных направления выделяющего элемента. Волна a1, создаваемая генератором, направляется на порт ➋ с коэффициентом передачи s21, и после отражения от этого порта возвращается как волна b2. В случае одно-портового ИУ волна bИУ возникает из-за отражения падающей волны aИУ с коэффициентом отражения ГИУ, то есть:

Волна a2 ответвляется на порт ➌ с коэффициентом ответвления s32. К этому порту подключен измерительный приемник. В идеале хотелось бы, чтобы S-параметры s21 и s32 оба имели значение 1, что, однако, не выполнимо на практике. Отметим также, что существует альтернативный путь сигнала напрямую из порта ➊ в порт ➌. Просачивание сигнала по этому пути создает помеху измерениям, и является нежелательным. Поэтому на практике в выделяющем элементе необходимо обеспечить как можно более высокую изоляцию портов 1 и 3 (развязку), при которой в идеале s31 = 0.

Еще необходимо не забывать о нежелательном обратном отражении от порта ➋ в направлении к ИУ. В идеале хотелось бы, чтобы это отражение отсутствовало. Если, при справедливости перечисленных выше предположений об идеальности выделяющего элемента, еще обеспечить постоянство волны генератора a1 , то волновая величина b3 будет прямо пропорциональной коэффициенту отражения ГИУ от ИУ. Разумеется, в реальности предположения об идеальности выделяющего элемента не справедливы. В последующих подразделах будет показано, как можно освободиться от необходимости строгого соблюдения каждого из этих предположений.

2.2.1 О постоянстве волны a

На практике можно обеспечить только примерно постоянный уровень волны a1 генератора, например, в пределах 0 дБм ± 0,3 дБ. Естественно, подобная неопределенность интенсивности волны a1 ведет напрямую к потере точности в результатах измерений. Для предотвращения этого следует определить (т.е. измерить) значение волны a1 с помощью дополнительного приемника, который будем называть опорным приемником. В качестве источника сигнала для опорного канала следует использовать так называемый расщепитель мощности (см. рис. 2.2.2). Выходные плечи расщепителя мощности являются симметричными, и непосредственно связанными между собой. Создаваемые расщепителем волны a1 и a’1 всегда одинаковы, независимо от возможного рассогласования выходных портов расщепителя. И если испытуемое устройство присоединено к одному плечу через выделяющий элемент, то волновая величина a’1 может использоваться вместо величины a1.

Рис. 2.2.2 Выделяющий элемент с опорным каналом.

Поэтому коэффициент отражения ΓИУ может быть найден исходя из следующей промежуточной величины , которую будем называть измеренным отношением M:

2.2.2 Поправка на отражение

В реальности коэффициент передачи s21 и коэффициент ответвления s32 имеют значения, меньшие единицы. При перемножении этих параметров возникает коэффициент, который может быть назван поправкой на отражение:

Взаимосвязь измеренного отношения M и поправки на отражение R с измеряемым коэффициентом отражения ΓИУ выражается следующим соотношением:

Если использовать характерные точки диаграммы Смита в формуле (2.2-5) в качестве значений ΓИУ, то можно графически проиллюстрировать влияние поправки на отражение R. В результате воздействия поправки R диаграмма Смита на рис. 2.2.3 преобразуется в красную диаграмму, сжатую по модулю |R|, и повернутую на угол arg R.

Рис. 2.2.3 Идеальная и искаженная, согласно формуле (2.2-5), диаграмма Смита.

2.2.3 Поправка на направленность

Переходное прохождение от порта ➊ до порта ➌ создает дополнительный обходной путь сигнала, искажающий измерения. Эти искажения численно характеризуются S-параметром s31. В качестве меры отличия между реальным и идеальным поведением выделяющего элемента, удобно использовать специальное отношение, известное как поправка на направленность:

Поправка на направленность векторно добавляется к величине ΓИУ. Соответственно, следует модифицировать формулу (2.2-5) для измеренного отношения M следующим образом:

Для оценки ошибки измерений, следует вынести за скобки величину ГИУ в формуле (2.2-7), и сформировать комплексное отношение x = D/ΓИУ. Произведение R ∙ ΓИУ обозначим как вспомогательную величину W.

Выражение (1 + x) характеризует относительное отклонение измеренной величины M от ее „правильного“ значения W. Относительное отклонение (1 + x) показано на рис. 2.2.4 как суперпозиции векторов 1 и x. Надлежащая оценка реальной фазы комплексной величины x требует наличия векторной системы коррекции ошибок. При отсутствии такой системы точные вычисления (1 + x) невозможны, и следует предположить произвольное значение для фазы x. Это приводит к образованию области неопределенности измерений, ограниченной пунктирной окружностью, показанной на Рис. 2.2.4.

Рис. 2.2.4 Векторная суперпозиция составляющих 1 и |x|.

Выделяя первые две характерные точки этой окружности, можно получить два экстремальных значения, соответственно 1 – |x| и 1 + |x|. Эти значения показаны на рис. 2.2.4 голубым и красным цветом. Они обозначают самую короткую и самую длинную сумму векторов, соответственно. В измерительной практике при оценке модулей величин обычно используют децибельную (дБ) шкалу. В этой шкале оба экстремальных значения могут быть представлены следующим образом:

Третья характерная точка на рис. 2.2.4. относится к месту, где отклонение фазы x, достигает максимального значения:

Приводимая ниже Таблица 2.2.1 содержит предельные оценки по формулам (2.2-10) и (2.2-11), рассчитанные для различных модулей x. Значения величин в каждой колонке таблицы даны в децибелах (дБ), и найдены по соотношениям, соответствующим картинке сложения векторов на рис. 2.2.4.

Рассмотрим пример применения Таблицы 2.2.1. Будем исходить из значения поправки на направленность D в –40 дБ, и из значения W = –30 дБ в соотношении (2.2-9). Примем также поправку на отражение R = 1 (идеальное значение), что приводит к соотношению W = ΓИУ. Необходимое для использования Таблицы 2.2.1 нормированное значение |x| = |D|/|ΓИУ| составит –40 дБ – (–30 дБ) = –10 дБ по децибельной шкале. Это дает, согласно данным соответствующей строки таблицы, 1 + |x| = 2,39 дБ и 1 – |x| = 3,30 дБ. Исходя из значения W = –30 дБ, находим возможные пределы модуля измеряемой величины M: верхний предел M = W + 2,39 дБ = –27,61 дБ и нижний предел M = W – 3,30 дБ = –33,3 дБ.

Таблица 2.2.1 Предельные оценки ошибки измерений при суперпозиции векторных величин.

В особом случае при x = 1, то есть, когда поправка на направленность D и измеряемый коэффициент отражения ΓИУ равны между собой, измеряемое значение M расположено между пределами b3/a1 = 0 и b3/a1 = 2R ∙ D, что соответствует значениям –∞ и 6,02 дБ. Таким образом, становится понятным, что невозможно непосредственно измерять коэффициенты отражения, меньшие, чем поправка на направленность D. С другой стороны, когда измеряются средние и
большие коэффициенты отражения, влияние поправки на направленность становится пренебрежимо малым.

Подобно влиянию поправки на отражение, влияние поправки на направленность может быть продемонстрировано на диаграмме Смита. Согласно формуле (2.2-7), добавление D к значению ΓИУ соответствует сдвигу красной диаграммы, показанной ранее на рис. 2.2.3., на вектор R ∙ D.

Рис. 2.2.5 Идеальная и искаженная диаграмма Смита для формулы (2.2-7).

2.2.4 Рассогласование из мерительного порта и многократные отражения

Помимо коэффициента отражения от ИУ, возможно существование ненулевого коэффициента отражения от измерительного порта выделяющего элемента в сторону к испытуемому устройству. Будем называть это отражение рассогласованием измерительного порта S. На практике рассогласование измерительного порта S ≠ 0. Для упрощения анализа сначала предположим, что прочие компоненты анализатора цепей идеальны. Тогда рассогласование измерительного порта определяется исключительно выделяющим элементом, а именно, его параметром рассеяния s22.

Рис. 2.2.6 Многократные отражения от измерительного порта.

Волна bИУ(= a2), которая отражается ИУ, не полностью поглощается измерительным портом (порт ➋).Часть этой волны отражается обратно к ИУ. Между измерительным портом и ИУ возникают многократные отражения. Они показаны на рис. 2.2.6 змеевидной стрелкой. Проанализируем это явление подробнее. Первичное отражение от ИУ порождает вклад b2. ΓИУ в a2. Часть этой волны вновь отражается от измерительного порта с коэффициентом отражения S. Эта волна вновь устремляется к испытуемому устройству, и создает дополнительный вклад b2 ΓИУSΓИУ в волну a2. После учета двукратного отражения, как правило, можно не добавлять отражения более высоких порядков. Суммарный вклад выглядит следующим образом:

После вынесения за скобки величины b2 ΓИУ, получаем формулу со структурой, которая подобна формуле (2.2-9):

Таким образом, удается оценить ошибку измерений, вносимую рассогласованием измерительного порта, точно таким же образом, как ранее по формулам (2.2-10) и (2.2-11), или по Таблице 2.2.1, используя вместо (1 + x) выражение (1 + ΓИУS). Если же требуется принять во внимание отражения более высоких порядков, следует использовать более сложную формулу (2.2-14). Она справедлива при выполнении условия |S ∙ ΓИУ| <1, которое обычно имеет место,
поскольку S <<1.

2.2.5 Выводы

Неидеальности измерительной установки, проанализированные в предыдущих подразделах, связаны, главным образом, с выделяющим элементом.

Рис. 2.2.7 Иллюстрация величин R, D, S

Его суммарное влияние на измеренное отношение M = b3/a1 может быть выражено следующей формулой:

Если принимать во внимание только двукратное отражение между испытуемым устройством и измерительным портом (обычно этого вполне достаточно), то можно упростить эту формулу:

Поправка на отражение R приводит к относительной ошибке измерения, которая не зависит от величины ΓИУ. Она может быть легко скорректирована введением комплексного поправочного коэффициента. Поправки на направленность D и на рассогласование измерительного порта приводят к ошибке измерения, которая зависит от коэффициента отражения ΓИУ, или, другими словами, зависит от измеренного отношения М. Для компенсации этой систематической ошибки должна использоваться комплексная коррекция системной ошибки. Если не производить эту коррекцию, обе величины D и S будут давать вклады в общую ошибку измерения. При этом нежелательное искажение измеренного отношения M окажется зависящим от значения |ΓИУ|. Имеют место следующие существенные обстоятельства:

◆Поправка на направленность ограничивает точность измерения
для малых значений модуля коэффициента отражения |ΓИУ|.
◆ Рассогласование измерительного порта определяет предел для
больших модулей |ΓИУ|

Если, помимо наличия реальных значений S и D, предположить выполнение остальных идеальных условий, то оценку соответствующей ошибки измерений можно извлечь из графиков на рис. 2.2.8.

Рис. 2.2.8 Неопределенность измерения как функция поправки на направленность, поправки на рассогласование измерительного порта, и значения измеряемых потерь на отражение.

2.2.6 Дальнейшие перспективы

В реальном векторном гетеродинном анализаторе цепей существуют дополнительные неидеальности. В частности, выделяющий элемент в анализаторе цепей представляет собой трех-портовое устройство, и в общем случае имеет девять S-параметров. Генератор сигналов, измерительный приемник и опорный приемник имеют ненулевые коэффициенты отражения. Расщепитель мощности только приближенно является идеальным (a ≈ a’ ) и оценка приемниками поданных на их входы значений волновых величин b и a’ осуществляется с дополнительными весовыми коэффициентами, не равными единице. На результаты измерений влияют также соединительные кабели и дополнительное испытательное приспособление, используемое для подключения ИУ к анализатору цепей. Однако оказывается, что можно надлежащим образом просуммировать все дополнительные искажающие величины, и приписать им значения (в зависимости от влияния на ошибку измерения) либо поправки на отражение R, либо поправки на направленность D, либо поправки на рассогласование измерительного порта S. Чтобы иметь возможность различить вклады в ошибки измерения от выделяющего элемента, и от всех остальных звеньев анализатора цепей, вводятся понятия компонентов искажающий e00 , e01 , e10 , e11 . Эти элементы образуют так называемый искажающий двухпортового устройства, показанный на рис. 2.2.9. Опорный приемник, генератор сигнала, и измерительный приемник трактуются совместно, как идеальный анализатор цепей. Источником возбуждающего сигнала (то есть, значения волновой величины a ), является часть анализатора, состоящая из генератора и опорного приемника. Волна, возвращающаяся от искажающей двух портового устройства, оценивается измерительным приемником. Волновые величины b и a далее не рассматриваются, поскольку по определению имеют нулевое значение. Порт 2 искажающий двухпортового устройства присоединяется непосредственно к ИУ (то есть, между ними нет линии передачи).

Рис. 2.2.9 Идеальный искажающий четырехполюсник с элементами ошибок.

Измерения коэффициентов передачи, и соответствующие им модели ошибок, будут рассмотрены в последующих разделах, и, в частности, в разделе 3.4. Эти измерения требуют наличия двух или более измерительных портов. Чтобы иметь возможность применить обсуждаемую модель ошибок и к таким измерениям, следует ввести две величины e и e вместо одной величины R (поправки на отражение). Величина e по договоренности трактуется в технической литературе как поправка на направленность анализатора цепей, хотя на самом деле эта величина соответствует произведению R ∙ D. Величина e учитывает рассогласование измерительного порта всей измерительной системы.

2.3 Реализации направляющих элементов

Реализация направляющего элемента для анализатора цепей возможна разнообразными способами. Наиболее часто используются мосты для измерения КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению), и направленные ответвители. Эти устройства оказались хорошо приспособленными для работы в совершенно разных частотных диапазонах, и поэтому взаимно дополняющими друг друга. КСВН мост удобен для диапазона частот от нескольких килогерц до 4 ГГц. На более высоких частотах более удобны направленные ответвители. Типовые направленные ответвители имеют минимальную рабочую частоту около 1 ГГц, что необходимо для обеспечения возможности получения достаточной электромагнитной связи. При соблюдении определенных условий, направленные ответвители могут применяться на частотах свыше 100 ГГц.

Настоящий раздел 2.3 адресован тем читателям, которые хотели бы самостоятельно создать внешнюю измерительную систему, дополняющую имеющийся анализатор цепей. Это может оказаться целесообразным, например, при работе с усилителем мощности или для других применений высоких уровнях мощности (раздел 7.6).

При первом ознакомлении с этой книгой следующие далее параграфы раздела 2.3 можно пропустить без существенного ущерба для понимания содержания последующих разделов.

2.3.1 Мосты для измерения КСВН

Мост для измерения КСВН состоит из резисторов R , R и импеданса Z . После надлежащей перерисовки схемы (см. рис. 2.3.1), этот мост становится похожим на известный мост Уитстоуна
(Wheatstone). Однако здесь не предусматривается, как в обычных мостах, регулировка на нуль диагонального напряжения. Порт 1 моста возбуждается источником с внутренним импедансом Z . К порту 2 (измерительный порт) подсоединяется ИУ с импедансом ZИУ.

Рис. 2.3.1 Варианты изображения схемы КСВН моста.

Для лучшего понимания используемых обозначений волновых величин рекомендуется сравнить рис. 2.3.1 с рис. 2.2.1, учитывая принятые базовые цвета. Рассогласование измерительного порта может быть найдено по следующей формуле:

Для достижения идеального согласования измерительного порта s22 = 0, необходимо выполнение условия:

При выполнении этого условия, элементы S-матрицы КСВН моста даются формулами:

Предполагая обычный выбор R = R = Z , из формул (2.3-3) и (2.3-4) находим теоретическую поправку на отражение R = ½ ∙ ½ = ¼, что соответствует –12 дБ. Реализуемое на практике значение этого параметра обычно хорошо совпадает с теоретической оценкой. Однако из-за неизбежных механических и электрических неточностей условие s31 не может быть выполнено точно. Это приводит к необходимости учета поправки на направленность |D| > 0.

Определенный недостаток схемы на рис. 2.3.1 заключается в том, что диагональное напряжение u3 является симметричным относительно земли, и при попытке измерить его приемником с несимметричным входом мост окажется частично короткозамкнутым. С помощью трансформатора (см. рис. 2.3.2) симметричное диагональное напряжение может быть преобразовано в несимметричное, то есть, в потенциал относительно земли. Однако трансформатор не позволяет обеспечить широкую рабочую полосу частот, и не удобен для применения на частотах выше 4 ГГц.

С другой стороны, на низких частотах нагрузка в узловой точке моста (➋) оказывается слишком малой по сравнению с нагрузкой в узловой точке (➊). Эта асимметрия может существенно ухудшить направленность моста. Добавляя вспомогательную индуктивность (показанную голубым цветом на рис. 2.3.2), можно компенсировать асимметрию моста. Однако заметим, что компенсирующая индуктивность изменяет также входной импеданс измерительного порта (порта 2), поскольку оказывается включенной параллельно измеряемому импедансу ZИУ.

Рис. 2.3.2 КСВН мост с отводом выходного напряжения через трансформатор.

Для улучшения согласования измерительного порта, номиналы двух верхних на схеме импедансов Z и R должны быть несколько увеличены. Резистор R (на схеме противоположный измерительному порту) также влияет на согласование измерительного порта. Его номинал должен соответствовать опорному импедансу анализатора цепей Z = 50 Ω в широком частотном диапазоне.

На рис. 2.3.3 показан типовой КСВН мост со снятой крышкой. На рисунке хорошо просматриваются трансформатор и вспомогательная индуктивность. Для достижения максимально широкой рабочей полосы частот применена комбинация из калиброванных ферритовых сердечников различных размеров.

Рис. 2.3.3 КСВН мост R S ® ZRC со снятой крышкой.

Таблица 2.3.1 дает представление о характеристиках высококачественного КСВН моста R&S ®ZRC.

Таблица 2.3.1 Выборка из характеристик КСВН моста R&S ® ZRC из [RS04]

Для более подробной информации можете прочитать файл во вложении.

Источник: www.rohde-schwarz.com/ru