Анализаторы цепей Keysight PNA — прорыв в области СВЧ и микроволн

PDF версия
Анализаторы цепей — сравнительно новые многофункциональные измерительные приборы. В последние годы крупная мировая компания Agilent Technologies (Keysight) совершила подлинный прорыв в своих анализаторах цепей серий PNA в область СВЧ и микроволн, доведя максимальные частоты исследуемых сигналов до 1,1 ТГц (!) и введя в свои анализаторы цепей ряд инновационных и новаторских решений, которые описаны в данной статье и перешли в наследство фирме Keysight Technologies.

Пример тестирования антенной системы

Наряду с требующими тестирования массовыми компонентами сегодняшним разработчикам и инженерам нередко приходится иметь дело со сложнейшими высокоскоростными, СВЧ- и микроволновыми радиоэлектронными системами, например бортовыми и наземными радиолокаторами, системами сверхширокополосной связи (в том числе мобильной, сотовой, спутниковой и космической) и т. д. [1]. Современные бортовые и наземные антенные системы [2, 3] содержат, кроме собственно антенн, целый ряд встроенных СВЧ- и микроволновых устройств — волноводы и коаксиальные кабели, линии передачи, фильтры, преселекторы и смесители, гетеродины, высокочувствительные радиоприемники, коммутаторы сигналов и т. д. (рис. 1).

Современные антенные системы

Рис. 1. Современные антенные системы:
а) бортовая;
б) наземная

Еще недавно тестирование таких систем требовало применения десятков сложных и дорогих приборов — мультиметров, измерительных генераторов, осциллографов, анализаторов спектра, измерителей АЧХ, ФЧХ и S‑параметров и других. Их подключение к тестируемым устройствам и калибровка занимали много времени, а изобилие приборов вынуждало создавать специализированные и очень дорогие измерительные лаборатории.

Высшим достижением в создании многофункциональных измерительных устройств такого рода стали векторные анализаторы цепей, позволяющие при минимуме подключений измерять десятки параметров тестируемых устройств и создавать измерительные системы для особо сложных и специальных применений (рис. 2) [3].

Система тестирования антенн в дальней зоне с приемником на базе векторного анализатора цепей фирмы Keysight

Рис. 2. Система тестирования антенн в дальней зоне с приемником на базе векторного анализатора цепей фирмы Keysight

Открытая архитектура со встроенным ПК с операционной системой Windows обеспечивает расширенные возможности подключения анализаторов цепей к другим устройствам и максимальную гибкость в их использовании. Низкочастотная граница анализаторов цепей захватывает область радиочастот, что повышает универсальность применения анализаторов цепей. Приборы до предела насыщены средствами компьютерной математики и позволяют легко анализировать не только линейные, но и нелинейные цепи и устройства, причем как в стационарном, так и в импульсном режиме.

 

Анализаторы цепей серии PNA-X компании Keysight Technologies

В системе тестирования антенн в дальней зоне (рис. 2) используется векторный анализатор цепей компании Keysight Technologies серии PNA-X (рис. 3). Это довольно сложный настольный анализатор — типичный представитель приборов такого рода. Его характерным признаком является наличие портов, к которым подключается тестируемое оборудование. В данном случае предусмотрено четыре порта: два из них представляют собой выходы измерительных генераторов, два других — измерительных приемников. В общем случае анализаторы могут иметь два, четыре и более портов. Порты снаружи — высококачественные коаксиальные разъемы.

Векторный анализатор цепей серии PNA-X фирмы Keysight

Рис. 3. Векторный анализатор цепей серии PNA-X фирмы Keysight

Упрощенная функциональная схема 4‑портового анализатора цепей показана на рис. 4. Здесь видно, что анализатор содержит два измерительных генератора с цифровым синтезом частоты и ее быстрой перестройкой. Генераторы и другие узлы (опции) могут по-разному конфигурироваться с помощью механических и электронных переключателей. Например, один генератор может конфигурироваться как источник входного сигнала, а второй как гетеродин тестируемого смесителя или приемного модуля. Для конфигурации блоков и опций анализатора цепей используются высокоточные согласованные тракты со сверхширокой полосой пропускания и малыми потерями.

Функциональная схема анализатора цепей PNA-X фирмы Keysight

Рис. 4. Функциональная схема анализатора цепей PNA-X фирмы Keysight

Генерация синусоидальных сигналов обеспечивается в широчайшем диапазоне частот (в зависимости от конкретной модели):

  • N5241A: 10 МГц…13,5 ГГц;
  • N5242A: 10 МГц…26,5 ГГц;
  • N5244A: 10 МГц…43,5 ГГц;
  • N5245A: 10 МГц…50 ГГц;
  • N5247A: 10МГц…67 ГГц;
  • N5249A: 10 МГц…8,5 ГГц

Прибор имеет второй внутренний источник для измерений интермодуляционных искажений, параметра S22 в рабочем режиме и измерений различных частотных и амплитудных характеристик с высокой скоростью свипирования сигнала гетеродина. Выходная мощность доходит до +22 дБм при диапазоне свипирования по мощности 48 дБ. Обеспечен очень низкий уровень гармоник ( –60 дБс) для точных измерений гармонических и интермодуляционных искажений.

Приемники анализатора имеют очень малый уровень собственных шумов –130 дБм в полосе 10 Гц с точками компрессии на 0,1 дБ при уровне +13 дБм. Обеспечена высокая чувствительность при измерениях линейных S‑параметров в импульсных режимах. В стандартной комплектации максимальная полоса ПЧ достигает 5 МГц, и приемники могут использоваться для измерения коротких радиоимпульсов.

Серия анализаторов цепей PNA-X компании Keysight представляет наиболее мощные и многофункциональные СВЧ-анализаторы среди выпущенных на рынок. Они обеспечивают прорыв в области СВЧ и микроволн. Приборы обладают следующими свойствами:

  • За одно подключение выполняется комплекс измерений.
  • Частотный диапазон от 10 МГц до 8,5/13,5/26,5/43,5/50 ГГц.
  • 2‑ и 4‑портовые модели.
  • Два встроенных источника сигналов с высокими характеристиками.
  • Одноблочное техническое решение для измерения параметров цепей в импульсном режиме.
  • Внутреннее устройство суммирования сигналов и механические переключатели.
  • Методы калибровки, соответствующие последним достижениям в этой области.
  • 10,4‑дюймовый дисплей с функцией сенсорного экрана.

 

Инновации и технические новинки в анализаторах цепей серии PNA-X

В анализаторах цепей PNA-X компании Keysight предусмотрен ряд инновационных и патентованных решений, существенно улучшающих основные технические характеристики анализаторов. Так, в обычных анализаторах спектра и цепей приходится применять очень узкополосные фильтры разрешения, в результате чего резко возрастает время спектрального анализа. Патентованный метод спектрального обнуления, при котором нулевые частоты спектра делают совпадающими с нежелательными линиями спектра, позволяет довести уровень нежелательных частот до –120 дБ против –(70–80) дБ при обычном спектральном анализе.

В результате в анализаторах PNA-X удалось расширить максимальную полосу ПЧ до 15 МГц и измерять линейные S‑параметры в импульсных режимах, при широкополосном детектировании коротких радиоимпульсов (длительность импульса 100 нс). Полосы ПЧ, превышающие 15 МГц, не имеют практической ценности, поскольку с увеличением полосы ПЧ возрастает уровень собственных шумов приемника, что приводит к ухудшению отношения сигнал/шум и росту погрешности измерения. Как видно из рис. 5, динамический диапазон анализаторов цепей PNA-X значительно возрос, особенно при малых коэффициентах заполнения радиоимпульсов.

Динамический диапазон анализаторов цепей PNA-X

Рис. 5. Динамический диапазон анализаторов цепей PNA-X

В ряде применений, например в радиолокации, анализаторы спектра и цепей действуют в режиме стробирования. Наряду с аппаратным стробированием, применяемым в приборах серии PNA, в анализаторах PNA-X используется и запатентованный фирмой Keysight метод программного стробирования (рис. 6).

Сравнение PNA/PNA-X при измерениях параметров цепей в импульсном режиме

Рис. 6. Сравнение PNA/PNA-X при измерениях параметров цепей в импульсном режиме

 

Испытание усилителей анализаторами цепей PNA-X

При использовании анализатора цепей PNA-X легко реализуется принцип «одно подключение — комплекс измерений». После калибровки и подключения к испытуемому устройству (ИУ) пользователи могут измерить практически все необходимые параметры ИУ. Например, при испытаниях усилителей (рис. 7) можно одновременно измерить согласование по входу и выходу, коэффициент усиления, гармоники выходного сигнала, точку компрессии на 1 дБ, коэффициент преобразования амплитудной модуляции в фазовую, уровень точки пересечения третьего порядка (TOI) и коэффициент шума. Анализаторы цепей серии PNA-X идеально приспособлены для измерений параметров активных компонентов, таких как усилители мощности, малошумящие усилители, смесители, преобразователи частоты, модули передачи/приема и антенны.

Подключение усилителя к анализатору цепей

Рис. 7. Подключение усилителя к анализатору цепей

Свойства технических решений PNA-X при измерении усилителей мощности и малошумящих усилителей:

  • Одно подключение, комплекс измерений на частотах до 67 ГГц (с микроволновыми опциями до 1,1 ТГц).
  • Измерение коэффициента шума с помощью метода холодного источника, использующего улучшенную коррекцию ошибок согласования в источнике для обеспечения высокой точности измерения.
  • Поддержка измерения усилителей с высоким коэффициентом усиления (>30 дБ).
  • Двумерные режимы свипирования при измерении зависимости компрессии коэффициента усиления от частоты (рис. 8).
Зависимость выходной мощности усилителя от входной мощности

Рис. 8. Зависимость выходной мощности усилителя от входной мощности

  • Измерение интермодуляционных искажений в режимах свипирования по частоте и свипирования по мощности.
  • Измерение гармонических искажений в режиме свипирования.
  • Измерение КПД добавленной мощности.
  • Измерение параметра S22 в рабочем режиме.
  • Одноблочное техническое решение для измерения S‑параметров в импульсном режиме.
  • Измерения с использованием истинных дифференциальных сигналов стимулов.
  • Расширенная калибровка частотной неравномерности для измерения усилителей мощности.
  • Максимальный диапазон свипирования по мощности 40 дБ.
  • Два источника сигналов с очень малым уровнем гармоник (–60 дБс).
  • Высокое значение точки компрессии на 0,1 дБ (>+13 дБм).
  • Расширение возможностей за счет подключения векторных генераторов сигналов и анализаторов к ВЧ-точкам доступа на задней панели анализатора для измерения EVM, ACPR, CCDF и других параметров.

 

Тестирование нелинейных устройств анализаторами цепей PNA-X

Многие радиоэлектронные устройства (реальные усилители, смесители, детекторы и т. д.) принципиально являются нелинейными устройствами. Первые типы анализаторов цепей тестировали только линейные устройства. Но анализаторы серий PNA могут анализировать и нелинейные цепи и устройства. При тестировании нелинейных устройств анализаторами цепей PNA-X обеспечены следующие возможности:

  • Измерения нелинейных X‑параметров и построение их графиков и диаграмм.
  • Измерения преобразователей частоты со встроенным гетеродином: точное измерение абсолютной фазы и групповой временной задержки (ГВЗ) — рис. 9.
Измерения характеристик преобразователя со встроенным гетеродином

Рис. 9. Измерения характеристик преобразователя со встроенным гетеродином

  • Измерения компрессии коэффициента усиления, коэффициента усиления в линейной области и в точке компрессии, входной и выходной мощности в точке компрессии и линейности ФЧХ.
  • Первое в мире одноблочное техническое решение для измерения параметров цепей в импульсном режиме, созданное на базе анализатора цепей с внутренними импульсными модуляторами и импульсными генераторами.
  • Измерения с использованием истинных дифференциальных сигналов стимулов.
  • Измерения с помощью скалярной калибровки смесителя: перенос точности измерителя мощности на измерения коэффициента усиления/потерь преобразования.
  • Измерения с использованием векторной калибровки смесителя.
  • Измерение абсолютного группового времени задержки (ГВЗ) для смесителей и преобразователей частоты.
  • Измерения интермодуляционных и гармонических искажений: измерение искажений в режимах свипирования по частоте и свипирования по мощности без использования внешних компонентов.

На рис. 9 показано подключение к анализатору цепей PNA-X преобразователя со встроенным гетеродином. Для измерения частоты гетеродина преобразователя используется новое техническое решение (опция 084), основанное на применении векторной калибровки смесителя. Вначале измеряется фактическое значение частоты сигнала ПЧ. Используя результат этого измерения и зная частоту входного ВЧ-сигнала, можно вычислить частоту гетеродина.

Для этого требуется два цикла свипирования анализатора цепей. Первый цикл свипирования является широкополосным и позволяет провести приблизительное измерение частоты встроенного гетеродина в выбранном диапазоне частот (рис. 10). В этом примере номинальное значение частоты равно 5 ГГц, а максимальное отклонение частоты гетеродина в соответствии с техническими характеристиками не должно превышать ±500 кГц. Таким образом, центральная частота приемника настраивается на 5 ГГц, а диапазон частот — на 1 МГц. Поскольку для данного измерения используется 200 точек, разрешение по частоте равно 1 МГц/200 = 5 кГц.

Спектр при широкополосном цикле тестирования преобразователя

Рис. 10. Спектр при широкополосном цикле тестирования преобразователя

Однако для измерения ГВЗ анализатору цепей требуется более точное определение частоты гетеродина. Второй цикл свипирования обеспечивает анализатору необходимую точность. В этом цикле производятся измерения фазы Φ во времени (рис. 11). После этого можно определить девиацию частоты: ΔF = –ΔΦ/(360×ΔT). В результате широкополосного и прецизионного циклов свипирования рабочая частота гетеродина может быть определена достаточно точно для проведения достоверных измерений ГВЗ.

Осциллограмма узкополосного цикла тестирования преобразователя

Рис. 11. Осциллограмма узкополосного цикла тестирования преобразователя

Точность этого метода можно продемонстрировать также, сравнив измерения преобразователя частоты с гетеродином, который в одном случае синхронизирован с общим источником опорного сигнала, а в другом — нет, как показано на рис. 12. Поскольку результаты практически идентичны, ясно, что данное техническое решение способно эффективно решать проблему измерения абсолютного ГВЗ преобразователей частоты со встроенным гетеродином.

Сравнение результатов измерения абсолютного ГВЗ для случаев, когда источник сигнала гетеродина синхронизирован или нет с общим опорным сигналом

Рис. 12. Сравнение результатов измерения абсолютного ГВЗ для случаев, когда источник сигнала гетеродина синхронизирован или нет с общим опорным сигналом

Это подтверждает и рис. 13, на котором дано сравнение результатов измерения ГВЗ у разных анализаторов цепей с разными методами калибровки. Оно говорит об эффективности технического решения, примененного в анализаторах PNA-X.

Сравнение ГВЗ у разных анализаторов цепей фирмы Keysight с разными методами калибровки

Рис. 13. Сравнение ГВЗ у разных анализаторов цепей фирмы Keysight с разными методами калибровки

Для измерения интермодуляционных искажений обычно используется двух-частотный сигнал. Наличие у анализаторов двух генераторов упрощает тестирование. Результаты измерений могут быть представлены как графики спектра и зависимостей параметров от частоты (рис. 14). Они наглядно демонстрируют суть таких искажений — появление разностной и суммарной интермодуляционных частот.

Спектральная оценка интермодуляционных искажений

Рис. 14. Спектральная оценка интермодуляционных искажений:
а) спектр;
б) графические зависимости параметров

 

Тестирование устройств с дифференциальными входами/выходами

Анализаторы цепей PNA-X могут тестировать устройства с дифференциальными водами и выходами (рис. 15). Такие устройства часто применяются в высокоскоростных системах, обеспечивая высокую помехозащищенность при малом уровне сигналов.

Конфигурация анализатора для тестирования устройств с дифференциальными входом и выходомРис. 15. Конфигурация анализатора для тестирования устройств с дифференциальными входом и выходом

Рис. 15. Конфигурация анализатора для тестирования устройств с дифференциальными входом и выходом

На рис. 16 дано сравнение результатов тестирования устройств с несимметричными и с дифференциальными сигналами.

Сравнение результатов тестирования устройств с несимметричным и с дифференциальным сигналами

Рис. 16. Сравнение результатов тестирования устройств с несимметричным и с дифференциальным сигналами

 

Средства калибровки анализаторов цепей

При разработке анализаторов цепей компания Keysight уделяет большое внимание созданию средств их калибровки. Дело в том, что обычные средства калибровки лишь частично подходят для анализаторов цепей. Последние по стабильности частоты генераторов и стабильности амплитудных и иных параметров часто не уступают обычным калибраторам, а потому они не применимы. Кроме того, анализаторы цепей — многопортовые приборы, и в средствах калибровки нуждается каждый порт и определенные их комбинации. В результате число операций по калибровке и время, затраченное на данную операцию, возрастают порою более чем на порядок. Например, 4‑портовые анализаторы требуют 15 шагов калибровки, а 8‑портовые — 31.

Широко применяются методы калибровки при коротком замыкании, холостом ходе, введении неизвестной перемычки т. д. Эти методы входят в инновационный способ быстрой калибровки Quik SOLТ. Для 8‑портовой калибровки число шагов снижено до 10. Подробно процедуры калибровки описаны в руководствах по применению анализаторов.

Особое внимание уделено получению равномерных частотных характеристик различных параметров измерительных генераторов и приемников. На рис. 17, к примеру, показаны частотные зависимости уровня второй гармоники и выходной мощности генераторов PNA-X, характерные для откалиброванного анализатора. Их высокая равномерность свидетельствует о хорошей работе системы калибровки и системы автоматического регулирования параметров выходного сигнала генераторов.

Зависимость от частоты уровня второй гармоники и выходной мощности генераторов анализаторов цепей серии PNA-X

Рис. 17. Зависимость от частоты уровня второй гармоники и выходной мощности генераторов анализаторов цепей серии PNA-X

После осуществления калибровки наблюдается дрейф во времени измеряемых параметров. Он также сильно зависит от частоты, которая может достигать очень высоких значений у анализаторов цепей. Типичный характер дрейфа амплитуды и фазы за 24‑часовой отрезок времени и в диапазоне частот до 20 ГГц измеряемого синусоидального сигнала показан на рис. 18.

Дрейф амплитуды и фазы сигнала генераторов после калибровки

Рис. 18. Дрейф амплитуды и фазы сигнала генераторов после калибровки

Для калибровки анализаторов цепей компании Keysight широко используются калибровочные модули ECal (рис. 19), созданные для определенных видов измерения и существенно упрощающие проведение калибровки.

Модули калибровки ECal

Рис. 19. Модули калибровки ECal:
а) разнообразие модулей ECal;
б) модуль ECal с соединителями разного типа;
в) использование функции User Characterization для создания специализированного модуля ECal с требуемыми соединителями

 

Измерительные системы на основе анализаторов цепей

Хотя анализаторы цепей — очень мощные и многофункциональные измерительные приборы, иногда их возможностей недостаточно для решения все возрастающих по сложности задач исследования и тестирования радиоэлектронных компонентов, устройств и систем — например, массовых систем мобильной радиосвязи и спутниковых систем с применением высокоскоростной цифровой модуляции и манипуляции. В этих случаях к анализаторам цепей могут подключаться различные другие измерительные приборы (рис. 20).

Подключение к анализатору цепей дополнительных приборов — генератора сигналов с цифровой модуляцией и анализатора спектра

Рис. 20. Подключение к анализатору цепей дополнительных приборов — генератора сигналов с цифровой модуляцией и анализатора спектра

На рис. 21 показана функциональная схема взаимодействия приборов системы с анализатором цепей. Генератор сигналов серии MXG и анализатор спектра серии MXA подсоединяются к разъемам на задней панели PNA-X. Их можно включать для измерения параметров, требующих цифровой модуляции или демодуляции.

Функциональная схема взаимодействия приборов системы с анализатором цепей

Рис. 21. Функциональная схема взаимодействия приборов системы с анализатором цепей

Для анализаторов цепей Keysight выпускает множество опций, применение и замена которых позволяет приспосабливать данные приборы для решения тех или иных классов измерительных задач. Таким образом можно создавать системы для исследования и тестирования техники миллиметровых волн (рис. 22). Здесь пара портов анализатора расширяется до восьми портов, к которым подключены четыре блока миллиметровых волн. Вторая пара портов остается свободной для использования.

Многопортовая измерительная система миллиметровых волн на базе анализатора цепей

Рис. 22. Многопортовая измерительная система миллиметровых волн на базе анализатора цепей

Существует широкий выбор модулей (опций) расширения диапазона частот в область миллиметровых длин волн от 50 ГГц до 1,1 ТГц для удовлетворения конкретных потребностей:

  • N5262AW15 от 50 до 75 ГГц;
  • N5262AW12 от 60 до 90 ГГц;
  • N5262AW10 от 75 до 110 ГГц;
  • N5262AW08 от 90 до 140 ГГц;
  • N5262AW06 от 110 до 170 ГГц;
  • N5262AW05 от 140 до 220 ГГц;
  • N5262AW03 от 220 до 325 ГГц;
  • N5262AW02 от 325 до 500 ГГц;
  • N5256AW01 от 500 до 750 ГГц;
  • N5262AW01 от 750 до 1,1 ГГц.

 

Анализаторы цепей PNA-L

Анализаторы цепей серии PNA-L (рис. 23) перекрывают диапазон частот от 300 кГц до 8,5 или 13,5 ГГц, а также от 10 МГц до 20, 43,5 или 50 ГГц и обладают функциями, которые позволяют существенно повысить эффективность разработок и испытаний. Имеются также 4‑портовые модели с диапазоном частот от 300 кГц до 13,5 или 20 ГГц (рис. 22).

Анализатор цепей серии PNA-L

Рис. 23. Анализатор цепей серии PNA-L

Упрощенная функциональная схема 4‑портового анализатора PNA-L показана на рис. 24. Анализатор имеет два генератора и четыре измерительных порта.

Упрощенная функциональная схема 4 портового анализатора цепей серии PNA

Рис. 24. Упрощенная функциональная схема 4 портового анализатора цепей серии PNA

Основные возможности анализаторов PNA-L:

  • Скорость измерения — не более чем 4–9 мкс на точку.
  • Превосходные характеристики и расширенные возможности подключения анализатора к другим устройствам по сравнению с анализаторами цепей серии 872х.
  • Второй встроенный источник (только для 4‑портовых моделей) (опция).
  • Анализ во временной области и измерения со смещением частоты (опция).
  • Модули электронной калибровки (EСal), поставляемые по дополнительному заказу, позволяют выполнять калибровку в 10 раз быстрее по сравнению с механической калибровкой.
  • До 32 независимых измерительных каналов.

 

Анализаторы цепей серии PNA компании Keysight

Анализаторы цепей СВЧ-диапазона серии PNA (без дополнительных букв) перекрывают диапазоны частот от 10 МГц до 20, 40, 50 или 67 ГГц, демонстрируя при этом высокую точность. Они прекрасно подходят для измерения параметров прецизионных устройств СВЧ-диапазона, таких как компоненты для мобильной и спутниковой связи. Внешний вид двухпортового анализатора серии PNA показан на рис. 25. Анализаторы имеют динамический диапазон измерения 123 дБ на измерительных портах и 136 дБ при прямом доступе к входам приемника. Они также обеспечивают возможность проводить TRL/LRM-калибровку объектов в устройствах подключения или при зондовых измерениях на пластинах. Кроме того, архитектура приемника предусматривает режим со смещением частоты для измерения параметров смесителей и преобразователей частоты. Возможность изменения конфигурации измерительного блока позволяет легко подсоединять внешние блоки рефлектометров и проводить точные измерения многополюсников.

Двухпортовый анализатор СВЧ-цепей серии PNA компании Keysight

Рис. 25. Двухпортовый анализатор СВЧ-цепей серии PNA компании Keysight

Функциональные свойства анализаторов PNA:

  • Динамический диапазон измерения 136 дБ при прямом доступе к приемнику.
  • Расширенные функциональные возможности за счет использования разных измерительных блоков (блоков рефлектометров).
  • Расширенные возможности измерения параметров смесителей и преобразователей частоты (опция).
  • Модули электронной калибровки (EСal), поставляемые по дополнительному заказу, позволяют выполнять калибровку в 10 раз быстрее по сравнению с механической калибровкой.
  • Антенные и импульсные измерения (опция).

Прибор N5251A компании Keysight является моделью анализатора цепей серии PNA (рис. 26), предназначенного для миллиметрового диапазона длин волн. Эта модель сочетает непревзойденные высокие характеристики, скорость измерения и богатые возможности по подключению для решения задач измерения параметров устройств с коаксиальными соединителями и на пластинах до 110 ГГц. Кроме того, в определенных полосах частот доступны решения, обеспечивающие перекрытие и более широкого диапазона.

Анализатор цепей миллиметрового диапазона N5251A компании Keysight

Рис. 26. Анализатор цепей миллиметрового диапазона N5251A компании Keysight

Возможности анализаторов N5251A:

  • Единый цикл свипирования от 10 МГц до 110 ГГц.
  • Компактные измерительные головки и два встроенных синтезатора.
  • 29 установок полосы ПЧ, 32 независимых измерительных канала, 64 графика и 16001 точка измерения.
  • Утилита преобразования кодов при переходе от анализатора цепей серии Agilent 8510 к анализаторам серии PNA.

 

Анализаторы цепей в физических исследованиях

Часто СВЧ- и микроволновое излучение различных веществ позволяет по изменению его параметров судить о тонких физических свойствах веществ. Компания Keysight предоставляет передовые методы измерения диэлектрических и магнитных свойств материалов. Например, новый радиально-двухслойный цилиндрический диэлектрический резонатор до 10 ГГц (рис. 27) измеряет комплексные параметры диэлектрической проницаемости, тангенс диэлектрических потерь тонких пленок, непокрытых подложек и других листовых материалов с малыми потерями как часть законченного технического решения для испытаний на соответствие стандарту IPC-ТМ‑650 2.5.5.13. Программное обеспечение для измерения параметров материалов автоматизирует использование различных методов в широком диапазоне частот и различных средах, включая линии передачи, свободное пространство, арку NRL (NRL — Военно-морская исследовательская лаборатория США) и объемные резонаторы.

Подключение радиально-двухслойного цилиндрического диэлектрического резонатора 85072А к анализатору цепей

Рис. 27. Подключение радиально-двухслойного цилиндрического диэлектрического резонатора 85072А к анализатору цепей

Набор диэлектрических пробников 85070D содержит аппаратные и программные средства для измерения комплексных параметров диэлектрической проницаемости жидкостей и согласующихся твердых материалов от 200 МГц до 50 ГГц. Измерение электромагнитных свойств материалов важно проводить на всех этапах жизненного цикла изделий (проектирование, входной контроль, контроль производственного процесса и обеспечение качества). Компания Keysight устанавливает стандарты измерений в этой области, используя свой 20‑летний опыт разработки новаторских продуктов (рис. 28).

Система для микроволновых физических исследований на базе анализатора цепей

Рис. 28. Система для микроволновых физических исследований на базе анализатора цепей

 

Нелинейные векторные анализаторы цепей (NVNA)

Для исследования и тестирования нелинейных устройств и систем с умеренной нелинейностью применяются нелинейные векторные анализаторы цепей (NVNA) [6, 7]. В них используется система нелинейных X‑параметров, которые являются расширением S‑параметров и при очень малой нелинейности сводятся к ним. X‑параметры представляют собой линейную аппроксимацию коэффициентов ряда Фурье нелинейной функции при малом изменении амплитуды сигналов в условиях работы с большим уровнем сигналов. К NVNA относятся анализаторы Keysight PNA-X с опциями для работы с нелинейными цепями (рис. 29).

Установка для измерения параметров нелинейных устройств на базе анализатора цепей Keysight PNA-X

Рис. 29. Установка для измерения параметров нелинейных устройств на базе анализатора цепей Keysight PNA-X

Рис. 30 иллюстрирует появление комбинационных составляющих спектра выходного сигнала нелинейного тестируемого устройства DUT при двухтоновом входном сигнале.

Комбинационные искажения нелинейного устройства при двухчастотном сигнале

Рис. 30. Комбинационные искажения нелинейного устройства при двухчастотном сигнале

Система рис. 29 легко измеряет такие искажения и воспроизводит спектр частот выходного сигнала на экране анализатора цепей (рис. 31), даже если сигнал многотоновый.

Экран установки, демонстрирующий комбинационные составляющие многотонового сигнала

Рис. 31. Экран установки, демонстрирующий комбинационные составляющие многотонового сигнала

Сравнение измерений, основанных на применении нелинейных X‑параметров, и результатов моделирования физических устройств с помощью программы электромагнитного 3D-моделирования (рис. 32) показывает на достаточно высокую степень соответствия и говорит о больших возможностях нелинейных векторных анализаторов цепей в исследовании и тестировании реальных физических устройств.

Сравнение результатов, полученных при фактических измерениях, с результатами, полученными при моделировании в среде моделирующей программы ADS

Рис. 32. Сравнение результатов, полученных при фактических измерениях, с результатами, полученными при моделировании в среде моделирующей программы ADS

Измерения с учетом нелинейности в области огибающей импульса позволяют получить более глубокое понимание эффектов памяти, зависящих от времени, в активных нелинейных устройствах, которые вызваны, например, саморазогревом или воздействием цепей смещения. Они и позволяют получить калиброванные после векторной коррекции измерения амплитуды и фазы основной частоты и гармонических составляющих огибающей импульса испытуемого устройства во временной области.

 

Сравнение возможностей анализаторов цепей компании Keysight

Обширная номенклатура выпускаемых компанией Keysight анализаторов цепей (не только серий PNA) затрудняет их выбор. В обзорах [3–7 и др.] на сайте фирмы [2] можно найти руководства по выбору и комплектованию анализаторов цепей. Ограничимся представлением возможностей анализаторов цепей компании Keysight в промышленной сфере (таблица).

Таблица. Сравнение анализаторов цепей по их возможностям в промышленной сфере

Производственные
 испытания

Серия Е5100

Серия комбиниро
ванных анализаторов

Серия ENA-L

Серия ENA

Серия PNA-L

Серия PNA-X

Серия PNA (СВЧ)

Серия PNA (мм диапазон)

Серия 8757

Программирование

Возможность внутреннего программирования

 

Быстрая
пересылка данных

 

 

 

Калибровка

Калибровка с устранением влияния адаптера

 

 

 

 

Калибровка SOLR
(по неизвестной
перемычке)
с использованием
механических
калибровочных мер
или модулей электронной калибровки ECal

 

 

 

 

Электронная калибровка

 

 

 

Измерение и анализ

Сегментированное
свипирование

 

Допусковые испытания

Добавление
и удаление цепей

 

 

 

 

Команда анализа
формы сигнала

 

 

 

 

 

 

Интерфейсы

Интерфейс
локальной сети

 

 

 

Порт ввода/вывода

 

Интерфейс управления
манипулятором

 

Выход VGA

Из приведенных данных видно, что анализаторы цепей серий PNA являются не только самыми высокочастотными, но и самыми многофункциональными среди приборов этого класса.

 

Заключение

При первом знакомстве технические характеристики современных анализаторов цепей компании Keysight производят ошеломляющее впечатление. Но по мере ознакомления с этими удивительными приборами становится ясно, что анализаторы цепей — многофункциональные и высокоточные приборы с обширными (в том числе массовыми) областями применения. Их стоимость во много раз меньше совокупной стоимости измерительных приборов, которые анализаторы цепей способны заменить. Это открывает широчайшие возможности применения анализаторов цепей в практике исследования и тестирования различных устройств, систем, компонентов и технологий. А уникальные высокочастотные характеристики обеспечивают прочный задел на применение анализаторов цепей в прорывных направлениях науки, техники и производства.

Литература
  1. Дьяконов В. П. Сверхскоростная твердотельная электроника. В 2 томах. М.: ДМК-Пресс, 2013.
  2. Интернет-сайт компании Keysight Technologies.
  3. Cерия PNA-X компании Agilent. Анализаторы цепей СВЧ-диапазона с самыми высокими характеристиками. Agilent Technologies, 2009.
  4. СВЧ-анализаторы цепей серии PNA компании Agilent. Руководство по комплектованию. Agilent Technologies, 2009.
  5. Анализаторы цепей. Руководство по выбору. Agilent Technologies, 2007.
  6. Agilent Nonlinear Vector Network Analyzer (NVNA). Agilent Technologies, 2011.
  7. Network Analyzer Basics. Agilent Technologies. http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-7917E.pdf/ссылка утрачена/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.