МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра кафедра электронного приборостроения РЕФЕРАТ по дисциплине «Измерения на сверхвысоких частотах» Тема: Измерения с помощью векторных анализаторов цепей Студент гр. 9802 Щербаков К. А. Преподаватель Вьюгинов В. А. Санкт-Петербург 2022 ЗАДАНИЕ НА РЕФЕРАТ Студент Щербаков К.А. Группа 9802 Тема реферата: Измерения с помощью векторных анализаторов цепей Исходные данные: Оформление реферата. Основными структурными элементами реферата являются: – титульный лист; – аннотация; – содержание; – введение; – основная часть; – заключение; – список использованных источников; – приложение. Титульный лист содержит наименование университета, названия факультета и кафедры, тему реферата, название дисциплины, фамилию и инициалы студента, номер группы и год выполнения работы. В аннотации (8–10 строк) указываются цель и основное содержание реферата. Аннотация составляется на русском и английском языках. В содержании даются названия пунктов и подпунктов реферата. При этом их формулировки должны точно соответствовать содержанию работы, быть краткими и четкими. Во введении автором должна быть обоснована актуальность и важность выбранной темы и кратко изложено содержание работы. Во введении следует сослаться на объем изученной при подготовке реферата литературы с 2 соответствующими ссылками на первоисточники. Основная часть работы посвящается полному, подробному и глубокому анализу проблемы, сформулированной в теме реферата и во введении. Анализ должен быть проведен на основе изучения как рекомендованной литературы, так и самостоятельно подобранной автором. Последнее существенно влияет на оценку работы. Очень важно показать умение объединить в логически связанное исследование многочисленные и разнородные литературные материалы, снабдив их при этом, возможно, собственными замечаниями. В заключении даются основные выводы по работе, подчеркивается важность изученной темы. Список использованных источников содержит наименования всех работ, изученных автором, и должен быть оформлен в соответствии с существующими стандартами. В него должны быть включены также ссылки на электронные источники информации, в частности на сайты Интернета. В тексте реферата обязательно должны быть ссылки на все литературные источники из списка литературы. В приложение могут быть вынесены некоторые вспомогательные материалы, в частности, таблицы. Реферат печатается на бумаге формата А4, шрифтом размера 14 pt, через 1,5 интервала. Рекомендуемый объем 15–20 страниц. Дата выдачи задания: 27.10.2022 Дата сдачи реферата: Дата защиты реферата: Студент Щербаков К.А. Преподаватель Вьюгинов В. А. 3 АННОТАЦИЯ В рамках реферата будут рассмотрены основные принципы измерений с помощью векторных анализаторов цепей, в общем виде продемонстрированы некоторые приборы, оценено практическое значение данного типа измерительных приборов. SUMMARY In this paper, the basic principles of measurements using vector network analyzers will be considered, some devices will be demonstrated in general terms, and the practical significance of this type of measuring devices will be evaluated. 4 СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЕ НА РЕФЕРАТ ......................................................................................................... 2 АННОТАЦИЯ................................................................................................................................ 4 СОДЕРЖАНИЕ ............................................................................................................................. 5 ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................... 6 МАТРИЦА РАССЕЯНИЯ КАК ФУНДАМЕНТ ИЗМЕРЕНИЙ СВЧ ....................... 7 ВЕКТОРНЫЙ АНАЛИЗАТОР ЦЕПЕЙ ............................................................................... 8 ПРИМЕНЕНИЕ ВАЦ ................................................................................................................ 13 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВАЦ............................................... 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................................... 17 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................................ 18 5 ВВЕДЕНИЕ Разработка приборов СВЧ, как и любой другой техники требует получения точных данных о параметрах его работы, да и в целом о работоспособности. Тоже самое касается и исследований при разработке технических решений. СВЧ диапазон, как известно накладывает свои особенности в области определения необходимых параметров. Векторный анализ является одним из способов достижения этих задач, который применяется в том числе и в СВЧ диапазоне, позволяя максимально раскрыть возможности измерения и анализа в одном приборе, называемом векторным анализатором цепей. 6 МАТРИЦА РАССЕЯНИЯ КАК ФУНДАМЕНТ ИЗМЕРЕНИЙ СВЧ Любой прибор СВЧ можно рассматривать как многополюсник с nпортами. В каждом порту во время работы по определению существует падающая волна и отражённая. Тогда можем принять an – амплитуду падающей волны, а bn – отражённой. Эти параметры называются первичными и вторичными соответственно коэффициентами Snm. Эти и обладают коэффициенты линейной зависимостью называются с S-параметрами, математически являющимися элементами матрицы рассеяния (матрица Sпараметров) многополюсника и описывающими связь между распространяющимися падающими и отражёнными волнами в портах многополюсника. Рис.1 Общий вид матрицы рассеяния в линейной форме Рис.2 S-параметры условного тестируемого четырёхполюсника 7 Характеристика характеристика характеристика отражения передачи передачи в от прямом первого порта направлении в обратном направлении называется S11, называется S21, называется S12 и характеристика отражения от второго порта называется S22. Таким образом матрица рассеяния позволяет математически определять необходимые параметры приборов СВЧ, зная лишь амплитуды первичных и вторичных параметров на определённой частоте, и строить на этой базе различные измерительные приборы, в то числе ВАЦ, о котором пойдёт речь далее. ВЕКТОРНЫЙ АНАЛИЗАТОР ЦЕПЕЙ Векторный анализатор цепей (ВАЦ) - это прибор, позволяющий комплексно измерять параметры приборов СВЧ. ВАЦ позволяет проводить измерения не только амплитудных, но и фазовых характеристик S-параметров, что открывает широчайшие возможности для анализа с помощью этих средств измерения и делает эти приборы незаменимыми при разработке, диагностике и настройке приборов СВЧ. Для иллюстрации принципа работы ВАЦ, ниже приведена упрощённая условная схема измерения передаточной характеристики в прямом направлении (S21), поскольку она максимально проста: 8 Рис.3 Простейшая схема измерения с помощью ВАЦ передаточной характеристики в прямом направлении На тестируемое устройство подаётся опорный (эталонный) синусоидальный сигнал с известной амплитудой и фазой. После того, как сигнал пройдёт через тестируемое устройство, его амплитуда и фаза изменятся. Далее, детектор амплитуды и фазы определяет насколько отличается амплитуда и фаза измеряемого сигнала от опорного. Таким образом определяются характеристики тестируемого устройства на одной частоте или на кванте частоты. При измерении в заданном диапазоне частот, ВАЦ многократно изменяет частоту опорного сигнала в заданных пользователем пределах. В реальности, с точки зрения пользователя, подобное измерение выглядит сильно проще. Все элементы, кроме, собственно, тестируемого устройства и линий передачи к нему и являются ВАЦ в едином корпусе. Подобное измерение имеет примерно следующий вид: Рис. 4 Пример простейшего измерения параметров умножителя. 1 – ВАЦ, 2умножитель С инженерной точки зрения ВАЦ является более сложным измерительным устройством, а сколь-нибудь приближённая к реальному устройству схема, продемонстрирована ниже: 9 Рис.5 Структурная схема устройства ВАЦ Как видно, ВАЦ состоит из генератора эталонных колебаний, приёмников и преобразователей опорного и измерительного канала, тестовых портов и вычислительной системы. Именно наличие опорного канала позволяет ВАЦ измерять фазовые параметры, в отличии, например, от скалярного анализатора цепей, способного измерять лишь амплитудные характеристики Генератор создаёт необходимый сигнал с известными параметрами и отправляет его на тестовый порт. В блоке тестового порта сигнал разделяется падающую и отражённую волну измеряемого прибора, направляя их на измерительный и опорный канал соответственно. Далее сигнал попадает на приёмник, где преобразуется и направляется в измерительный канал, после которого результаты попадают на ЭВМ и визуализируется в удобном для пользователя виде. 10 При необходимости, в порт испытываемого устройства могут подключаться дополнительные приборы, например, в случае, когда ВАЦ не может обеспечить достаточный входной уровень мощности для вывода испытываемого прибора в нужный режим. Как было сказано ранее, измерение производится дискретно, или парциально – в каждый момент времени производится измерение параметра на определённой частоте. При каждом парциальном измерении в качестве активного работает лишь один из N портов. Остальные порты работают в пассивном режиме с согласованными нагрузками. С блоком тестовой установки всё принципиально понятно – генератор создаёт сигнал, он попадает через регулятор на делитель мощности, где направляется одновременно на опорный приёмник и исследуемое устройство, а отражённая волна с порта исследуемого устройства направляется на свой выход к приёмнику через ответвитель. Далее сигнал необходимо каким-то образом измерить. Для этого используется гетеродинный метод. Его суть заключается в сравнении измеряемой частоты с некоторой эталонной частотой, генерируемой гетеродином – маломощным, регулируемым генератором синусоидальных колебаний. Для этого поступивший с тестовой установки сигнал усиливается, проходит через полосовой фильтр для удаления шумов, а затем смешивается с сигналом гетеродина до получения низкочастотного биения. 11 Рис. 6 Пример результата смешения двух сигналов Получившаяся периодическая картина и есть биение. При этом информация об амплитуде и фазе измеряемого сигнала полностью сохраняется. Задача этого этапа преобразовать входящий измеряемый сигнал с произвольными параметрами частоты в рамках рабочего диапазона частот в фиксированную выходную частоту, называемой промежуточной через изменение частоты гетеродина. Далее, с помощью АЦП низкочастотный сигнал разветвляется, и производится цифровое амплитудное детектирование с помощью цифрового амплитудного детектора и цифровое фазовое детектирование с помощью цифрового фазового детектора, далее информация обрабатывается ЭВМ и визуализируется оператору. На этом, кратко, процесс измерения заканчивается. 12 ПРИМЕНЕНИЕ ВАЦ Основное применение ВАЦ – измерение активных и пассивных радиоустройств, таких как: аттенюаторы, усилители, фильтры, антенны, фидеры, волноводы, преобразователи частоты и др. Второе направление применения – измерение отражения радиоволн от различных материалов, уровня поглощения и например элементов конструкции самолётов, ракет, спец. Покрытий и красок. Для выполнения такого рода измерений, к портам анализатора цепей необходимо подключить передающую и приёмную антенны. На рисунке ниже продемонстрирован пример измерения эффективной площади отражения радиоволн тестового образца. Рис.7 Пример измерения эффективной площади отражения радиоволн от тестового образца. 13 Третье, не самое очевидное применение – это измерения в пищевой, химической и медицинской промышленности. ВАЦ обладает возможностью измерять диэлектрическую постоянную, добротность и тангенс угла потерь различных веществ, отчего векторные анализаторы цепей применяются для измерения влажности зерна, качества нефти и множества других важных параметров, которые, на первый взгляд, никак не связаны с подобным типом измерений. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВАЦ На сегодняшней день, с развитием вычислительной техники, возможности для математических вычислений и измерений, а соответственно и визуализации, ВАЦ, имея довольно консервативный конструктив, а также базовую математическую модель матриц рассеяния в своей СВЧ части, обладает практически безграничным потенциалом в расширении своего функционала для пользователя. На рисунке ниже представлен пример интерфейса векторного анализатора Anritsu VNA Master серии MS20xxB с результатами измерения характеристик полосового фильтра. Основные параметры фильтра (S11 и S21) представлены на четырёх подробных графиках. Измерения проводились в диапазоне 1,75 - 2,05 ГГц. 14 Рис. 7 Пример интерфейса ВАЦ Даже по имеющемуся изображению, без развёртки всех возможных настроек, очевиден глубочайший функционал. Прибор может одновременно наблюдать результаты измерений сразу нескольких параметров при различных вариантах отображения (на рис. 7 в декартовой системе координат и в виде диаграммы Смита одновременно) с настраиваемым диапазоном шкал. Помимо прочего ВАЦ в принципе может обладать широким диапазоном измеряемых частот в среднем от 8 до 40 ГГц, а с помощью дополнительных модулей на сегодняшний день верхний предел можно довести до 1 ТГц. Комплект поставки ВАЦ как правило не ограничивается отдельно прибором. Производители предлагают к моделям модули расширения, позволяющие кардинально расширить функционал прибора как по частоте, так и по количеству измеряемых портов, не говоря о десятках позиций функциональных модулей, например, для измерения коэффициента шума. 15 Рис. 8 Векторный анализатор цепей серии Anritsu VectorStar с модулем для измерения коэффициента шума (опция MS4640B-041) Рис.9 Модуль 3743A с приёмником 3744A-Rx, который предназначен для точных измерений коэффициента шума в диапазоне частот от 30 ГГц до 110 ГГц. 16 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведённый краткий обзор векторных анализаторов цепей демонстрирует как фундаментально простые матрицы рассеяния открывают возможности в измерении приборов СВЧ. ВАЦ – это многофункциональный прибор с широчайшим спектром функционала для анализа, диагностики и разработке в области СВЧ и даже за его пределами. Однако, следует отметить, что ВАЦ – это весьма дорогостоящий прибор, стоимость которого, побольшому счёту, измеряется сотнями тысяч и миллионами рублей. Не каждый разработчик может позволить себе прибор такого уровня, с таким спектром модулей расширения. Тем не менее ВАЦ, на сегодняшний день просто незаменим при разработке СВЧ приборов, обладая функциональностью. 17 уникальной в своём роде СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. 1. Michael Hiebel Основы векторного анализа. Глава 2 Внутреннее устройство гетеродинного N-портового анализатора цепей 2-е издание, исправленное и дополненное Москва: Издательский дом МЭИ, 2018. 96 с. 2. Глазов Г.Н. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Современные технологии и системы автоматизированного измерения на СВЧ Томск.: Изд-во «ТУСУР», 2012. 246 с. 3. ИНСТРУКЦИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ВЕКТОРНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ЦЕПЕЙ Р4213 / Р4226 «ПАНОРАМА» ОПЦИЯ «ДПА» https://www.micran.ru/upload/iblock/233/B_%D0%98%D0%BD%D1%81%D 1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%9E% D0%BF%D1%86%D0%B8%D1%8F%20%D0%94%D0%9F%D0%90_1.05.p df 4. Что такое векторный анализатор электрических цепей: общая информация, для чего они используются и какие бывают// ООО «Техноком» URL:https://www.tehencom.com/Categories/Network_Analyzers/Basics/Netw ork_Analyzers_Basics.htm (дата обращения: 26.11.2022). 5. Гетеродинный метод измерения частоты//Studme.org https://studme.org/227020/tehnika/geterodinnyy_metod_izmereniya_chastoty# aftercont 6. Векторные анализаторы электрических цепей Anritsu, Pico, Keysight и др// ООО «Техноком» URL:https://www.tehencom.com/Categories/Network_Analyzers/Basics/Netw ork_Analyzers_Basics.htm (дата обращения: 26.11.2022). 7. БИЕНИЯ СЛОЖЕНИЕ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ// Сами с Усами http://dokakodm.ucoz.ru/publ/c_builder/prostye_primery/bienija_slozhenie_dv ukh_sinusoidalnykh_signalov_programma_modelirovanija/16-1-0-663 18
