I když se pro nejjednodušší aplikace stále používá kombinace rozmítaného (Tracking) generátoru a spektrálního analyzátoru, informace o fázi je podstatná a tu zajistí pouze koherentní uspořádání vektorového síťového analyzátoru.

 

Málokdo by očekával, že vektorový analyzátor je jedním z nejrozšířenějších přístrojů v oblasti materiálových měření a zejména v oboru bezpečnosti. Všechny detekční rámy, jak je známe například z odbavovacích zón letišť, využívají obvodové uspořádání VNA (Vector Network Analyzer). To je také důvod, proč se základní integrované obvody VNA zmenšily, zdokonalily a zlevnily do té míry, že vyrábět skalární analyzátory se již nevyplatí a polní, bateriové vektorové síťové analyzátory mají přesnost a stabilitu laboratorních přístrojů před pěti lety. Vždyť i nejznámější vysokofrekvenční přístroj Sitemaster, určený pro analýzu kabelů a antén, je rovněž jednoduchým vektorovým analyzátorem. Počet vyrobených Sitemasterů přesáhl 40 000 kusů.

 

 

 

Vektorový analyzátor lze v prvním přiblížení charakterizovat jako zařízení zjišťující čtyři přenosové parametry libovolné obvodové struktury. Jedná se o známé s-parametry se dvěma indexy, kdy první index určuje místo, kde se signál snímá a druhý pak místo, kam se měřicí signál přivádí. Parametr s₂₁ tedy např. představuje zesílení v dopředném směru. U aktivních (napájených) struktur, jako jsou třeba zesilovače, může být s₂₁ > 1, u pasivních prvků (filtry apod.) bude tento parametr vždy menší než jedna.

 

 

Základními stavebními prvky obvodového analyzátoru jsou zdroj, mikrovlnná sestava (směrové vazební členy, můstky, vzorkující přijímače a směšovače) a analyzátor. Aby bylo možné jediným přístrojem pokrýt frekvenční rozsah šesti dekád od 70 kHz do 70 GHz, využívají špičkové laboratorní analyzátory pro každou frekvenční oblast samostatné mikrovlnné struktury: směšovač nebo vzorkovací obvod jako přijímač a můstek nebo vazební člen jako reflektometr – viz obr. 1.

 

Zřejmě nejvýznamnější posun ve vývoji zaznamenal blok zdroje signálu (syntezátoru). Nelineární přenosová vedení představovaná kaskádou článků sestavených ze Zenerových diod a odporů v zapouzdřené integrované struktuře generují pulzy s velkou četností a mimořádnou strmostí hran a jsou tedy ideálním stabilním zdrojem velmi vysokých kmitočtů pro místní oscilátor – viz obr. 2 a 3.

 

 

Moderní syntezátory mají čas ustálení po změně frekvence (např. skok 100 MHz) menší než 5 μs. Jejich fázový šum je přitom tak nízký, že šum zdroje vysílajícího na vysoké úrovni zůstává pod 0,01 dB.

 

 

Důležitou součástí vektorového analyzátoru jsou rovněž vysokofrekvenční přepínače. Nejdůležitějšími parametry switchů jsou izolace, vložný útlum a komprese. Parametry izolace 120 dB při frekvenci 70 GHz a nízkém vložném útlumu jsou příkladem dobrých hodnot.

 

 

Vycházíme-li ze zjednodušeného blokového schématu vektorového analyzátoru na obr. 4 a pro jednotlivé s-parametry platí známé vzorce s₁₁ = b₁/a₁, s₂₁ = b₂/a₁, s₁₂ = b₁/a₂ a s₂₂ = b₂/a₂, budou jednotlivé přenosové parametry měřeného vzorku (DUT) zjištěny následovně:

 

 

 

 

Při bližším zkoumání vf aplikací ve všech oblastech průmyslu shledáme, pro mnohé možná překvapivě, že velká část a možná většina obvodových struktur pracuje v pulsním režimu. Snad nejznámějším příkladem jsou radarové systémy (dopravní, letištní, vojenské), ale také spínané polovodičové prvky s vysokou hustotou výkonu, spínané zesilovače (TWTA) u vysílačů, planární struktury na křemíkových substrátech a další – viz obr. 5.

 

 

Radarové systémy nejsou nijak revolučním objevem a logicky tedy musely i dříve při jejich vývoji a výrobě existovat nějaké měřicí postupy. Podle konkrétní aplikace se používala širokopásmová nebo úzkopásmová metoda. Širokopásmová metoda přímého vzorkování se používala při šířce pulsů nad 1 μs, jejichž spektrální příspěvek většinově spadal do rozsahu přijímače – viz obr. 6.

 

 

Při pulsech užších než 1 μs se bylo třeba uchýlit k metodě úzkopásmové, která využívá skutečnosti, že kompletní informace o amplitudě a fázi je nesena první harmonickou a vyšší harmonické příspěvky lze odfiltrovat. Problém však nastával s nižší střídou pulsů. Při střídě 1:100 dochází ke snížení dynamického rozashu o 40 dB – viz obr. 7.

 

 

Metoda vzorkování na úrovni mezifrekvence je novým postupem, kdy bude signál na vstup měřené struktury přiveden pouze během doby trvání pulsu a obdobně je snímán i na výstupu, přičemž oba řídicí pulsy jsou na sobě nezávislé, ale vzájemně synchronizované – viz obr. 8.

 

 

Při vzorkování 400 MHz se tak dosahuje rozlišení 2,5 ns při celkové délce záznamu až 500 ms. Dynamický rozsah >100 dB zůstává zachován bez ohledu na střídu pulsů. Právě velmi jemné rozlišení umožňuje přesně analyzovat s-parametry krátkých pulsů v celé jejich šířce – viz obr. 9.

 

 

 

V praxi měření pulsně modulovaných obvodových parametrů se setkáváme se třemi základními úlohami: analýzou tvaru pulsu – viz obr. 10, zjištěním s-parametrů v definovaném úseku pulsu – obr. 11 a analýzou dlouhodobé stability u mnoha po sobě následujících pulsů – obr. 12.

 

 

 

Všechna uvedená měření lze snadno provádět díky jednoduchému a přehlednému grafickému prostředí, které umožňuje ovládat čtyři nezávislé, ale společně synchronizované pulzní generátory.

 

 

Snadno lze přitom volit četnost i šířku pulsů, dvojic, trojic i burstů, viz obr. 13, a rovněž kompenzovat fázové zpoždění měřicích kabelů či elektronické zpoždění aktivních prvků vzájemným fázovým posuvem vysílaných pulsů a hradlovacích pulsů během příjmu – viz obr. 14.

 

 

 

 

Vektorový obvodový analyzátor je typické stolní laboratorní zařízení se zobrazením změn výsledků v reálném čase i při zásahu do měřené obvodové struktury – viz obr. 15. Všechny úlohy, a to včetně pulsních měření, lze realizovat s plnou šířkou pásma od 70 kHz do 110 GHz i výše.

 

 

Jedná se bezesporu o nákladné zařízení a je tak zcela zřejmé, že je v zájmu uživatele, aby analyzátor poskytoval výsledky až k hranicím svých zaručených parametrů. Podmínky, které je proto třeba splnit, jsou přitom překvapivě prosté: musíme provádět předepsaným způsobem kalibraci a udržovat v optimální kondici měřicí kabely a konektory.

 

Kalibrace (lze ji též nazývat korekcí systematických odchylek) je zřejmě nejdůležitější fází měření a její správné provedení pak uživateli zajistí

 

 

Kompletní výpadek (porucha celého přístroje) je u VNA naštěstí poměrně vzácná a pokud nastane, bývá způsobena výpadkem napájecí části. Příčinou je nejčastěji přehřátí vlivem zanesených filtrů ventilace. Častou poruchou bývá i nefunkční fázový závěs a tato závada se projeví nefunkčním rozmítáním, chybějícím vf signálem nebo rozmítáním jen v jednom směru na reversním portu 2.

 

Častěji než vlastním přístrojem jsou problémy s fázovou stabilitou způsobeny nekvalitními nebo poškozenými kabely. Často se setkáváme se snahou šetřit právě na kabelech či konektorech, třebaže jejich cena bývá pouhým zlomkem ceny samotného analyzátoru. Vliv na přesnost a opakovatelnost měření je však naprosto zásadní. Stejně důležité budou i praktické postupy, tj. použití momentového klíče, utahování pouze pomocí převlečné matice a samozřejmě použití správných typů konektorů.

 

Poškození vnitřních kleštin živého vodiče, zejména pak u malých konektorů pro vysoké frekvence, pouhým okem často ani nepostřehneme, měření však přesto může být zmařeno – viz obr. 16.

 

 

Základem spolehlivého měření s vektorovým obvodovým analyzátorem bude samozřejmě jeho kalibrace. Pokud je přístroj používán v odpovídajícím prostředí a s doporučeným příslušenstvím, postačí kalibrovat jednou na začátku měření (pokud ovšem nedochází ke kompletní změně měřicího uspořádání).

 

 

Součástí měřicí soupravy bývá i kalibrační sada včetně datového souboru, který ji charakterizuje. Jakkoli se to zdá překvapivé, bývá někdy příčinou systematických chyb právě kalibrační sada, to v případě, bude-li znehodnocena nečistotami nebo korozí (viz obr. 17), máme poškozen závit nebo je vysokým výkonem poškozena samotná zátěž.

 

 

 

Jakkoli je vektorový obvodový analyzátor velmi komplikovaným laboratorním zařízením, většina poruch a nepřesností bude způsobena jeho obsluhou (což je ale typické pro většinu moderních technologií). Při dodržování základních postupů a s použitím kvalitního příslušenství nebo přípravků lze naštěstí většinu takových problémů eliminovat.

 

 

 

[1] Understanding of vector network analysis - Anritsu Corp. 2013

[2] VNA in radar pulse applications - Anritsu Corp. 2014