Основы радиолокации
Измерения при помощи анализатора цепей
Рисунок 1. Векторный анализатор цепей R&S®ZNA с сенсорным экраном для четрыехпортовой цепи
(любезно предоставлено компанией Rohde & Schwarz)
Рисунок 1. Векторный анализатор цепей R&S®ZNA с сенсорным экраном для четрыехпортовой цепи
(любезно предоставлено компанией Rohde & Schwarz)
Измерения при помощи анализатора цепей
Анализатор цепей (например, Рисунок 1) представляет собой измерительное устройство, предназначенное для измерения электрических характеристик высокочастотных компонентов (как пассивных, так и активных). Принцип работы анализатора цепей заключается в формировании тестового сигнала и подаче его на проверяемый элемент с последующим измерением отклика на этот сигнал. Анализатор цепей состоит из источника радиочастотного сигнала и нескольких тестовых приемников. Измерению подлежат характеристики отражения от портов и прохождения между портами проверяемого устройства в зависимости от частоты. Такие характеристики являются элементами матрицы рассеяния многополюсника, являющегося моделью проверяемого устройства. Элементы матрицы рассеяния называют параметрами рассеяния или S-параметрами (от англ. Scattering – рассеяние). S-параметры имеют амплитудную и фазовую составляющие и, тем самым, достаточно полно характеризуют проверяемое устройство. Если анализатор цепей обеспечивает измерение обеих составляющих, то его называют векторным анализатором цепей . Анализаторы цепей, способные измерять только амплитуду S-параметров, для отличения называют скалярными анализаторами цепей .
Анализаторы цепей относятся к типовому оборудованию контрольно-измерительных лабораторий. Процесс измерения с их помощью требует извлечения проверяемого устройства из места его установки и проведения исследований в лабораторных условиях. В дополнение к параметрам рассеяния (линейного), могут измеряться также и некоторые нелинейные параметры, такие как сжатие коэффициента усиления, интермодуляционные искажения или шумовые параметры.
Рисунок 2. Параметры рассеяния двухполюсника (здесь: полосовой фильтр)
Рисунок 2. Параметры рассеяния двухполюсника (здесь: полосовой фильтр)
Параметры рассеяния
Параметры рассеяния описывают поведение высокочастотных цепей, представляемых в виде многополюсников. Количество S-параметров зависит от количества полюсов модели проверяемого устройства и определяется возведением количества полюсов во вторую степень. Например, ферритовый циркулятор, представляемый в виде трехполюсника, характеризуется набором из 9 (девяти) параметров рассеяния. А полосовой фильтр (Рисунок 2) представляет собой двухполюсник и имеет один вход (порт 1) и один выход (порт 2). Набор S-параметров для него:
- S11 – коэффициент отражения на входном порту;
- S21 – коэффициент прямого усиления;
- S12 – коэффициент обратного усиления;
- S22 – коэффициент отражения на выходном порту.
В пассивных цепях, таких как полосовой фильтр, недиагональные элементы матрицы рассеяния (S21 и S12) будут одинаковы. Если же цепь содержит усилительный элемент, то параметр S12 должен быть как можно меньше, а его обратная величина называется изоляцией.
Рисунок 3. S-параметры трехпортового ферритового циркулятора
Рисунок 3. S-параметры трехпортового ферритового циркулятора
S-параметры многопортовой сети могут быть обобщены в виде S-матрицы:
Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)
Источник
Как работают векторные анализаторы электрических цепей
Приветствую, дорогие друзья. С вами Тимур Гаранин.
Сегодня поговорим о таких серьезных приборах, как векторные анализаторы электрических цепей.
Рассмотрим сначала простейший случай. Представим, что у нас есть некий черный ящик. Этот черный ящик выполнен в виде четырехполюсника, то есть у него есть 2-контактный порт с одной стороны и такой же порт с другой стороны. А нам нужно определить характеристики этого чёрного ящика, и по возможности сказать, что там. Может там фильтр, может там отрезок кабеля и нам нужно определить, какова его длина, а может там трансформатор.
Как определить характеристики этого четырехполюсника? И тут нам на помощь приходит простейший двухканальный векторный анализатор цепей.
Как он работает? Анализатор подключается своими каналами ко входу и к выходу четырехполюсника. После чего начинает посылать гармонический сигнал на вход чёрного ящика. А затем обеими своими каналами слушает, что пришло с выходов четырехполюсника. Часть сигнала отражается, и эта часть называется параметром S11. Часть сигнала проходит на выход, и формирует параметр S12. Сигналы S11 и S12 анализируются как по амплитуде, так и по фазе.
Потом каналы меняются местами. Сигнал поступает на выход четырехполюсника. Отражённый от выхода сигнал называется S22, а сигнал, прошедший на вход, называется S21.
Пока что мы рассмотрели пример того, как проходит сквозь четырехполюсник сигнал на одной конкретной частоте. Однако полноценные анализаторы пропускают сквозь четырехполюсник, разумеется, целый диапазон частот. А это дает возможность построить частотозависимые графики, АЧХ и ФЧХ по всем параметрам.
А какие это могут быть параметры, кроме уже рассмотренных S-параметров? Это могут быть активное, реактивное, комплексное сопротивления, коэффициенты стоячих волн, причём в форме частотнозависимых характеристик, время задержки сигнала и так далее.
В общем, главное понимать, что векторные анализаторы работают по следующему принципу: посылают на входы черного ящика сигналы различной частоты, слушают со всех входов и выходов отклик от этих сигналов, на основании чего строят частотозависимые характеристики.
Но бывают ситуации, когда черный ящик представляет собой не четырехполюсник, а двухполюсник. Например, это отрезок кабеля с подключённой к его концу антенной. В этом случае у нас только один вход, а следовательно двухканальный векторный анализатор будет избыточен, и определить можно только характеристики по одному входу устройства.
В связи с этим широкое распространение получили упрощенные векторные анализаторы с одним каналом. Примером такого одноканального анализатора может служить N1201SA. Собственно говоря, такие приборы иногда называют антенными анализаторами.
Какие параметры можно измерить при помощи одноканального анализатора?
Во-первых, можно выставить конкретную частоту, и на этой частоте определять следующие характерисктики: активное сопротивление, реактивное сопротивление, коэффициент стоячей волны по напряжению, амплитуду и фазу отражённого сигнала от входа, то есть параметр s11. А также комплексное сопротивление, и входные емкость и индуктивность цепи.
А во-вторых, эти же параметры можно получить в виде частотозависимых рафиков.
Как подобные приборы применяются на практике?
Представим, что у нас есть отрезок кабеля. Одним концом он подключён к анализатору, второй конец открыт. Во-первых, на каждой конкретной частоте можно определять входное реактивное сопротивление цепи, коэффициент стоячей волны и так далее. Но можно поступить мудрее, и сразу построить частотозависимые графики, например параметра s11.
И мы увидим следующий график. На определенных частотах будут очень резкие провалы. Примерно также должен выглядеть и график коэффициента стоячей волны. Так что же это за провалы, и каким частотам они соответствуют?
Кабель это, разумеется, отрезок длинной линии. Сигнал, поступивший на вход кабеля, отражается от открытого конца, и возвращается в анализатор. Но когда мы попадаем на частоту, четверть длины волны которой соответствует длине этого кабеля, то у нас возникает четкая стоячая волна. На открытом конце мы получаем максимум напряжения, а в точке подключения к анализатору напряжение стремится к нулю. Вот здесь-то мы получаем провал в частотнозависимой характеристике.
Откуда берутся остальные провалы на графике? Всё дело в том, что в этом кабеле может поместиться не только 1 четверть длины волны, но и три четверти, и пять четвертей длин волн, соответствующих нечетным гармоникам резонансной частоты, и тогда мы получим такие же минимумы отраженного напряжения. Но если в кабеле поместилось четное количество четвертей длин волн, то мы наоборот получим максимум отражённого сигнала по напряжению.
Эти параметры, графики, критически важны для согласования антенных систем с источниками сигнала. Почему? Рассмотрим следующий пример.
Мы взяли прекрасную, хорошо согласованную антенну, диполь, и подключили её к антенному анализатору, без кабеля. Построили частотно зависимую характеристику, и обрадовались тому, что антенна чётко соответствует резонансной частоте и согласована с источником идеально.
А теперь взяли кабель, подключили его к антенне одним концом, а другим концом к анализатору. И, построив частотнозависимые графики, ужаснулись тому, что теперь антенная система совершенно не соответствует точке согласования. То есть на той же частоте, у нас не минимум, а наоборот максимум параметра S11, отраженного сигнала. Почему так получилось?
Всё дело в том, что кабель, являясь отрезком длинной линии, работает как продолжение антенны. В том месте, где антенна подключается к кабелю, у нас минимум напряжения и максимум тока, но если длина самого кабеля соответствует нечетному числу четвертей длины волны, то на точку подключения к анализатору, либо приемнику или передатчику, у нас придется минимум тока и максимум напряжения. И соответственно на графике параметра S11 у нас будет не провал, а наоборот горб на этой частоте.
То есть, сами того не подозревая, подключив кабель, длина которого составляет нечетное число четвертей длины волны, мы создали ситуацию наихудшего согласования. А наилучшее согласование будет тогда, когда в кабеле поместится четное количество четвертей длины волны.
Вот почему при работе с антеннами стоячей волны так важно учитывать длину кабеля. И вот для чего такие анализаторы в принципе и предназначены.
Кстати говоря, при работе с антеннами бегущей волны таких проблем не возникает. Так как в антенне бегущей волны отраженный сигнал в принципе не подразумевается.
Ну что ж, давайте подытожим:
- Полноценные векторные анализаторы способны определять S-параметры, и другие величины, характеризующие электрическую цепь, по всем портам многопортового устройства.
- Одноканальные векторные анализаторы способны определять параметры цепи только по одному входу устройства.
- Длина кабеля имеет важное значение при согласовании антенн стоячей волны. Для определения точки наилучшего согласования и используются одноканальные анализаторы
На сегодня всё. Если ролик был для вас полезен, ставьте лайки, делитесь в соцсетях. И в любом случае пишите в комментариях, о чём бы вы ещё хотели услышать. Всем удачи!
Источник