Jste zde

Vektorový analyzátor: co ukrývá, k čemu slouží a jak jej správně používat

Když se v polovině devadesátých let v laboratořích objevily první vektorové analyzátory, jednalo se o nepřenosná a zároveň velmi drahá zařízení. Základní pomůckou při vývoji a výrobě elektronických systémů byl v té době vedle osciloskopu pouze skalární analyzátor, tedy přístroj zjišťující závislost úrovně signálu na frekvenci.
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.
 
 

Konstrukce vektorového obvodového analyzátoru

 
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.
 
Obr. 1: Blokové schéma obvodového analyzátoru
 
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.
 
Obr. 2: Nelineární přenosové vedení
 
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.
 
Obr. 3: Nelineární přenosové vedení jiného provedení
 
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.
 

 

K čemu se VNA nejčastěji používá

 
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:
 
  • přijímač a1 měří úroveň vysílaného signálu na vstupu DUT
  • přijímač b1 měří úroveň odraženého signálu na vstupu DUT
  • přijímač b2 měří úroveň signálu na výstupu DUT
  • přijímač a2 měří úroveň vysílaného signálu na výstupu DUT
  • přijímač b2 měří úroveň odraženého signálu na výstupu DUT
  • přijímač b1 měří úroveň signálu na vstupu DUT
 
Obr. 4: Zjednodušené blokové schéma vektorového analyzátoru
 

 

Pulzní aplikace, radarové a navigační technologie

 
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.
 
Obr. 5: Radarové systémy
 
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.
 
Obr. 6: Širokopásmová metoda přímého vzorkování
 
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.
 
Obr. 7: Úzkopásmová metoda
 
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.
 
Obr. 8: Vzorkování na úrovni mezifrekvence
 
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.
 
Obr. 9: Porovnání analýzy s-parametrů při různém vzorkování
 
 

s-parametry v pulzně modulovaných signálech

 
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.
 
Obr. 10 a 11: Tvar pulzu a bod v pulzu
 
Obr. 12: Pulzní průběh
 
Všechna uvedená měření lze snadno provádět díky jednoduchému a přehlednému grafickému prostředí, které umožňuje ovládat čtyři nezávislé, ale společně synchronizované pulzní generátory.
 
Obr. 13: Nastavení pulzních generátorů VNA
 
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.
 
Obr. 14: Kompenzace fázového zpoždění měřicích kabelů
 
 

Kalibrace a správné pracovní postupy

 
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.
 
Obr. 15: Příklad stolního obvodového analyzátoru
 
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
 
  • spolehlivé měření s opakovatelnými výsledky a menší chybovostí a také
  • větší absolutní přesnost výsledků měření.
 
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.
 
Obr. 16: Poškozená kleština
 
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).
 
Obr. 17: Nečistoty v konektoru
 
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.
 
 

Závěr

 
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.
 
 

Literatura

 
[1] Understanding of vector network analysis - Anritsu Corp. 2013
[2] VNA in radar pulse applications - Anritsu Corp. 2014
 
 
Hodnocení článku: 

Komentáře

Moderní syntezátory mají čas....  Jejich fázový šum je přitom tak nízký, že šum zdroje vysílajícího na vysoké úrovni zůstává pod 0,01 dB. Je tady pár velmi podivných formulací. Namleto a semleto na guláš páté přes deváté. Skoro že neví. Můžu teké říct, "že jejich fázový šum je tak vyskoký podle čísel autora, že s tím nejde vůbec měřit ".

Pri cene 30USD za funkcni kus, je to cena mensi, jako byla v dobe psani tohoto clanku cena velmi spatneho multimetru.

Ja vim, ze kalibrace a ruzna omezeni, toho nanoVNA urcuji toto spis bastlirum, ale v praxi vsechna mereni na urovni doamciho bastleni, treba pro radioamatery od KV, po UKV, od anten, pres filtry, budice, odbocovace, duplexory, koncove stupne, vedeni, baluny, je mozne dnes doslova bastlit z niceho, pomoci vtipne pomucky.

Uz jenom aby ty kdysi drahe pristorje, zlevnili na uroven max 10x nano VNA.