Vector Network Analyzer Calibration.

Vector Network Analyzer Calibration.

Innholdsfortegnelse.

1. Introduksjon.

Vector nettverksanalysatorer (VNAs) er unike blant RF-instrumentering fordi de har potensial til a gi eksepsjonell noyaktighet. Fa RF-instrumenter kan matche maleytelsen pa bedre enn � 0,1 dB og � 0,1 grad som de fleste VNA leverer. Brukerkalibrering er en av grunnene til denne eksepsjonelle ytelsen.

Brukerkalibrering refererer til periodisk kalibrering som en bruker utforer for maling utfores. Det adskiller seg fra den nodvendige, typisk arlige kalibrering utfort pa RF-instrumenter (inkludert VNA) ved et sertifisert kalibreringsanlegg. Uten riktig brukerkalibrering er det nesten umulig a utnytte VNA male noyaktighet.

Faktorer som pavirker male noyaktighet og repeterbarhet blir lett oppdaget fordi VNAs er i stand til noyaktige malinger. En spektrumanalysator med en amplitude noyaktighet pa � 2 dB kan ikke noyaktig karakterisere amplituden til et filter som et VNA med en amplitude noyaktighet pa � 0,1 dB gjor. Figur 1 sammenligner en bandpasfiltermaling ved hjelp av en National Instruments PXIe-5630 VNA, kalibrert og ukalibrert, med en vektorsignalgenerator (VSG) og vektorsignalanalysator (VSA) som gjor samme mal.

Figur 1. En Bandpass Filter S 21 Overforingsrespons malt med en CW Generator og VSA (Green), en NI PXIe-5630 VNA Uncalibrated (Blue) og en NI PXIe-5630 VNA kalibrert (rod)

VNA-noyaktighet skyldes noen fa nokkelegenskaper. Figur 2 viser en typisk VNA overforing / refleksjon (T / R) arkitektur. For det forste gjor VNAer forholdsmessige malinger. S-parametere, S 11, S 21 og sa videre, defineres som det reflekterte eller overforte signalet (gjennom enheten under test) divideres med inngangs- eller hendelsessignalet. Eventuelle variasjoner i effektnivaet pa inngangen avbrytes nar signalene er forholdsmessige. For det andre deler signalgeneratorer og mottakere en felles fysisk plattform, inkludert en felles lokal oscillator (LO). Eventuelle temperaturvariasjoner eller endringer i omgivelsene, som elektromagnetisk interferens (EMI), oppleves ogsa av mottakerne og signalgeneratoren. Til slutt bruker kalibrering en feilkorreksjon (vektor og fase). Kalibreringen som utfores regelmessig av brukeren, sikrer at VNAs feilkilder regnskapsfores for maling.

Figur 2. Forenklet NI PXIe-5630 VNA T / R-arkitektur.

2. VNA Feilkilder.

Brukerkalibreringskontoer for 12 kilder til systematiske feil i en VNA. Vurder fremover malebanen, der signalgeneratoren blir utfort pa port 1 i enheten under test. Den forste kilden til systematiske feil er sporingsbegrepet, eller frekvensresponsen av signalbanene for overforings- og reflekteringsmalingene. Neste er belastningen og kildeimpedansen tilsvarer henholdsvis inngang og utgang pa enheten. Isolering er den lille mengden av lekkasje som utstraler fra port 1 og blir malt i port 2. Og koblingsdirektiviteten gir totalt seks feilvilkar i fremoverbanen. Seks liknende vilkar nar signalkilden er plassert pa port 2 for den omvendte banen gir 12 feilvilkar totalt. Disse er illustrert i figur 3.

Figur 3. Kildene til systematisk feil for en full 2-port S-parameter VNA.

VNA-retningskoblingene (noen VNAer bruker broer, men konseptet er det samme) er avgjorende for VNA-operasjon. De er ansvarlige for a skille de overforte og reflekterte signalene basert pa deres reiseretning. Ved konstruksjon har retningskoblinger et spesifisert tap, en koblingsfaktor, fra hovedarmen til den koblede armen. For eksempel, med en koblingsfaktor pa 20 dB, er effekten malt i den koblede armen av et signal som beveger seg i fremadrettet retning, ekvivalent med kraften i hovedarmen minus 20 dB. Pa lignende mate blir det ikke registrert et signal som gar i motsatt retning i den koblede armen. Dette er tilfellet for en ideell retningskobling. Praktiske, riktige koblingsmaskiner er mindre enn ideelle, og deres forestillinger pavirker direkte VNA maleusikkerhet. En fortjeneste, direktivitet, brukes til a kvantifisere ytelsen. Direktivitet er definert som forskjellen mellom koplingens koblingsfaktor og isolasjon. Dette er vist i figur 4.

Figur 4. Retningskoblinger gir signalavstand i et VNA ved a detektere signaler i en retning, men ikke i motsatt retning. Direktivitet er et mal for koblerens ytelse sammenlignet med en ideell kobler. Det er en viktig verdifigur som direkte pavirker maleusikkerheten til en VNA.

Undersokelsen av disse systematiske feilene understreker viktigheten av vektorkorreksjon. Hvis dette var et skalar (kun storrelsen), for eksempel en spektrumanalysator med en sporingsgenerator, kan du i beste fall regne med sporingsbetingelsene og isolasjonen. Vilkar som match og styring krever vektormalingskapasitet.

3. VNA kalibrering.

Brukerkalibrering er avgjorende for a sikre noyaktigheten og repeterbarheten av VNA-malinger. Moderne VNA tilbyr et innebygd program for a veilede deg gjennom kalibreringstrinnene. Som med hvilken som helst RF-maling, er kvaliteten pa resultatet direkte relatert til kvaliteten pa malepraksis som brukes under kalibreringsprosessen. Riktig dreiemoment, komponenter av hoy kvalitet og riktig kontaktpleie er blant hensynene til en effektiv VNA-kalibrering.

Du kan enten kjope et kalibreringskit som inneholder standarder eller konstruere et sett med standarder hvis elektriske egenskaper er kjent. Deretter utforer du de nodvendige trinnene i kalibreringsprosedyren, som maler hver av standardene. VNA sammenligner de malte verdiene med de kjente verdiene for hver standard. Gjennom et sett definerte kalibreringsligninger beregner VNA en korreksjonsfaktor for hvert frekvenspunkt ved a bruke de malte og kjente verdiene for hver standard. Disse korreksjonsfaktorene blir deretter pafort VNA-malingene.

Punktet der kalibreringsstandardene er tilkoblet, definerer maleplanet. Ogsa kalt referanseplanet, dette er punktet der korrigeringsfaktorene blir brukt og malingen begynner. Hvis koaksialkabler for eksempel er koblet til VNA-porter, og kalibreringsstandardene er koblet til kablets ende under kalibrering, er maleplanet ved kabelendene.

Denne diskusjonen om VNA-kalibrering fokuserer pa de mest omfattende, komplette 2-port kalibreringsmetodene. Du kan bruke andre tiln rminger, for eksempel 1-port og responskalibreringer, men de er vanligvis delsett med full 2-portskalibrering. Det brede sortimentet av VNA-brukerkalibreringer er delt inn i tre vanlige kategorier eller familier: SOLT (Short, Open, Load, Thru), TRL (Thru, Reflect, Line) og automatisk kalibrering.

4. SOLT-kalibrering.

SOLT-kalibrering er kanskje den mest kjente for alle VNA-kalibreringer. Den bruker en veldefinert kort, apen og belastning (med karakteristisk impedans, vanligvis 50 eller 75 ). En etter en kobler du hver standard til referanseplanet, slik at VNA kan male dem. Nar du fullforer disse trinnene, kobler du de to referanseplanene sammen for a danne en gjennomkobling (til) for den endelige maling.

SOLT-kalibrering er et effektivt valg for tilkoblede enheter. Nar det brukes med lydmaling, gir det sterk noyaktighet og repeterbarhet. Mange produsenter tilbyr kalibreringssett som inneholder veldefinerte standarder og har et bredt spekter av kontakttyper. SOLT-kalibrering adresserer hver av feilkildene via 12-tidsfeilmodellen diskutert tidligere, som bestar av 12 ukjente og 12 likninger.

Med sexede kontakter krever gjennomkoblingen en mannlig kvinneforbindelse. Dette inneb rer at enheten du tester ma ha en mannlig og en kvinnelig tilkobling (inngangsutgang eller utgangsinngang). En anordning av denne type er sies a v re innsettbar. Dessverre er mange enheter ikke-innleggbare – de har mannlige eller kvinnelige kvinnelige inngangs- og utgangskontakter. Siden adapterens RF-egenskaper er utregnet under kalibrering og beregning av korreksjonsfaktorene, forarsaker fjerning av det fra malingen en feil. Du bor ikke bruke en adapter for a gjore forbindelsen under kalibrering og deretter fjerne den nar du maler enheten.

En mate a handtere ikke-innspillbare enheter pa, er vist i figur 5. Mange SOLT-kalibreringssett inneholder et sett med RF-adaptere av hoy kvalitet med tilsvarende elektrisk lengde og RF-egenskaper. Disse kalles swap equal (eller fase equal) adaptere fordi du kan bruke en adapter for a gjore en ikke-innsettbar gjennom tilkobling under kalibrering og bytte den til en annen adapter fra kalibreringssettet for a koble til enheten under maling. Bunnlinjen er hvis du bruker en adapter under kalibrering, ma du erstatte en lignende adapter under malingen. Du kan velge mellom dette og mange andre tiln rminger for a handtere ikke-innspillbare enheter for a mote dine spesifikke noyaktighet og bekvemmelighetsbehov.

Figur 5. En 3,5 mm hankjottadapter brukes under kalibrering for gjennomforingen og erstattes av en kvinnelig adapter med lignende egenskaper for maling.

De mange variasjonene i den mye brukte SOLT-kalibreringsteknikken er designet for a imotekomme spesielle brukerkrav. Et eksempel er a bruke to shorts av forskjellige lengder, en kompensasjon kort og en belastning ved kalibrering av bolgelederinnretninger fordi apne kretser i en bolgeleder er vanskelige a karakterisere. Tabell 1 oppsummerer noen av egenskapene til SOLT-kalibreringsmetoden.

Tabell 1. Sammendrag av SOLT-kalibreringsegenskaper.

5. TRL kalibrering.

TRL, eller Thru, Reflect, Line, kalibrering for VNA er et effektivt valg for a male enheter som ikke er koblet til eller enheter som ikke deler samme tilkoblingstype som kalibreringsstandardene. TRL krever ikke veldefinerte, tilkoblede kalibreringsstandarder. Selv om det ikke er like vanlig som SOLT, er tilkoblede TRL kalibreringssett tilgjengelig.

TRL krever en kort tilkobling (helst null lengde eller veldig kort med samme impedans som linjestandard), en hoy reflekterende standard og en linje ved eller n r systemets karakteristiske impedans. I de fleste tilfeller kan du fremstille og karakterisere TRL-kalibreringsstandardene pa samme materiale som enheten som testes. Malinger for on-wafer probing eller for RF test fixtures er vanlige eksempler pa applikasjoner egnet for TRL kalibrering.

TRL-kalibrering, nar den er riktig implementert, kan v re ekstremt noyaktig, noe som er nyttig fordi SOLT-standarder i et koblingslost miljo er mye mer utfordrende enn TRL-standarder. Videre trenger TRL-standarder ikke a v re helt definert som SOLT-standarder gjor. I stedet er de modellert. Godkonstruerte, repeterbare standarder er avgjorende for de mest noyaktige TRL-kalibreringene. Du bor bruke hoyverdig male-, design- og fabrikasjonspraksis for a sikre best mulig noyaktighet. TRL-familien har et stort utvalg av varianter, for eksempel LRM (Line, Reflect, Match), LRL (Line, Reflect, Line) og TRM (Thru, Reflect, Match) for a mote en rekke behov. Tabell 2 oppsummerer noen av egenskapene til TRL-kalibreringsmetoden.

Tabell 2. Sammendrag av TRL-kalibreringsegenskaper.

6. Automatisk kalibrering.

I de senere ar har automatiske kalibreringsmoduler, som det som er vist i figur 6, blitt et popul rt alternativ til manuelle teknikker som SOLT og TRL. Pa grunn av intern veksling, oppvarming og andre usikkerheter manglet tidlige automatiske kalibreringsmoduler noyaktigheten og repeterbarheten av manuell kalibrering. Den nav rende generasjonen av moduler gir imidlertid noyaktige resultater og andre fordeler som gjor dem til et attraktivt valg.

Figur 6. Automatisk kalibreringsmodul for NI PXIe-5630 VNA.

Automatiske kalibreringsmoduler har RF-kontakter som fester ved nettverksanalysatorreferanseplanet. Modulen kobles til VNA-kontrolleren via en standardbuss, for eksempel USB eller RS232. Den interne kretsen av modulen holdes ved konstant temperatur for a redusere drivfeil. Du starter et automatisk kalibreringsprogram pa VNA. Modulen er beordret til flere kjente, forhandsdefinerte impedansstilstander som VNA maler. Disse malte verdiene er sammenlignet med de kjente verdiene som er lagret pa en EPROM eller VNAs interne minne. Den resulterende forskjellen mellom de kjente og malte verdiene blir brukt med et sett med kalibreringsligninger for a beregne korreksjonsfaktorene.

En av de viktigste fordelene ved denne metoden er den begrensede interaksjonen som kreves. Et forholdsvis lite antall tilkoblinger minimerer det menneskelige samspillet under kalibrering, slik at sjansene for menneskelig feil blir sterkt redusert og repeterbarheten okes kraftig. En annen fordel er at den automatiske kalibreringsmodulen kan utstyres med en rekke kontakttyper og kjonn, slik at du kan bruke et utvalg av enhetsforbindelser. Du kan ogsa bruke swap equal adapters med denne metoden som med SOLT. I tillegg er automatisk kalibrering betydelig raskere enn manuelle metoder, som vanligvis tar mindre enn et minutt. Tabell 3 oppsummerer noen av egenskapene til den automatiske kalibreringsmetoden.

Tabell 3. Sammendrag av automatiske kalibreringsegenskaper.

7. Andre hensyn.

VNA har ingen iboende noyaktighet. Uten en skikkelig brukerkalibrering av hoy kvalitet kan de angitte ytelsene ikke garanteres. Videre har kvaliteten pa brukerkalibrasjonen en direkte innvirkning pa kvaliteten pa VNA-malingene. Pa grunn av dette bor du vurdere folgende nar du bruker en VNA.

Brukerkalibrering adresserer systematiske feil, ikke tilfeldige feil. Mens du ikke helt kan eliminere tilfeldige feil, som EMI, kan du i stor grad redusere deres innflytelse pa malingen. Plassering av VNA i et stabilt temperaturmiljo minimerer drift. Minimering av elektrisk stoy og forstyrrende stoykilder forbedrer ytelsen ytterligere. Bruke effektive malepraksis under kalibrering og maling, som smale IF-bandbredder og gjennomsnittlig, gir ogsa fordelene ved resultatene. I tillegg forbedrer riktig dreiemoment, kabler og adaptere av hoy kvalitet og god kontaktforbedring malrepeterbarhet og reduserer maleusikkerhet.

Eventuelle endringer i instrumentinnstillinger mellom brukerkalibrering og malinger kan kompromittere eller til og med ugyldiggjore brukerkalibreringen. For kalibrering skal du sette VNA til samme konfigurasjon som du bruker til maling. Dette inkluderer antall poeng, stromniva og frekvenser. I tillegg, hvis du bruker spesialfunksjoner, for eksempel tidsdomene, bor du ogsa inkludere disse innstillingene.

Etter brukerkalibrering, men for maling, ma du sorge for at brukerens kalibrering er gyldig. Maling S 11 av den korte, apne, og last pa Smith-diagrammet og maling S 21 av gjennomforbindelsen er en mate a n rme seg til dette. En annen mate er a male en passiv enhet, for eksempel et filter, hvis respons har blitt registrert tidligere og er kjent for a v re bra. Du kan ogsa bruke VNA-verifikasjonssett som inneholder standarder som overforingslinjer, hvis elektriske egenskaper er malt av et standardlaboratorium og kan spores til NIST (National Institute of Standards and Technology).

Disse trinnene kan oppsummeres som forberedelse, praksis, kalibrering og utforelse:

Varm opp VNA i riktig tid Plasser VNA i stabilt miljo Bruk adaptere, kabler og momentnokkel av hoy kvalitet Kontroller at alle tilkoblinger er rene og ubeskadigede.

Angi VNA-frekvenser, IF-bandbredde, strom og andre parametere. Sorg for at kalibreringsstandardene og enheten som testes, kobles riktig til VNA-planen for eventuelle spesielle innkvartering som ikke-innspillbare enheter og lasting av kalibreringssettdefinisjoner.

Fjern enheten under test og kalibrere VNA ved a ga gjennom kalibreringsprosedyren. Kontroller at kalibreringen er god og lagre instrumentstatus og kalibrering.

Sporsmalet om hvor ofte a utfore en brukerkalibrering pa en VNA er vanlig. Dessverre er det ikke satt svar. Generelt kan du forvente a utfore en kalibrering & # 160; noen fa timer til noen fa dager. Det avhenger av noyaktigheten og repeterbarhetskravene, samt stabiliteten til miljoet. Periodisk bruk av verifikasjonsstandarder er en mate a male behovet for brukerkalibrering. Over tid utvikler du en folelse for de nodvendige brukerkalibreringsintervallene.

VNA er eksepsjonelt noyaktige og repeterbare instrumenter nar du implementerer riktige malteknikker og brukerkalibrering. Deres ytelse er direkte proporsjonal med kvaliteten pa brukerkalibreringen, som er en unik funksjon blant RF-instrumenter. Du kan velge mellom forskjellige brukerkalibreringsteknikker, avhengig av dine krav. VNA-kalibreringer faller inn i tre brede grupper: SOLT, TRL, og automatisk kalibrering. Hver har fordeler og ulemper, men ulike tiln rminger sikrer at du kan finne en teknikk som tilfredsstiller dine behov.

Bookmark & amp; Dele.

��������.

��������.

���������.

������.

NI er avgjorende for ��������� � ������ �������, � ��n ��n ��n ��n ��n b� � r � r � r ��n ��n ��n ��n ��n ��n ��n ��n � �h �t ���� �� ��n f � r f � r f.