VNA, czyli wektorowy analizator sieci, to precyzyjne urządzenie służące do pomiaru parametrów elektrycznych urządzeń pracujących w zakresie częstotliwości radiowych (RF) i mikrofalowych. Analizuje charakterystyki transmisji i odbicia (parametry S) komponentów takich jak kable, anteny, filtry czy wzmacniacze. VNA od Copper Mountain Technologies (CMT) są sterowane z poziomu komputera PC, co pozwala na kompaktowe i wydajne pomiary dzięki oddzieleniu modułu pomiarowego od interfejsu sterującego. Takie rozwiązanie umożliwia elastyczne i opłacalne testowanie w wielu branżach, m.in. telekomunikacji, lotnictwie i motoryzacji. Dzięki wysokiej dokładności i szerokiemu zakresowi częstotliwości VNA są niezbędnym narzędziem przy projektowaniu i testowaniu systemów RF.
Motoryzacja
Obronność
Energetyka
Szkolnictwo wyższe
Pomiar materiałów
Pomiary komponentów RF
Branża półprzewodników
Telekomunikacja
| Typ portu | Konfiguracja | 1.3 GHz | 4.5 GHz | 6 GHz | 6.5 GHz | 8.5 GHz | 9 GHz | 14 GHz | 18 GHz | 20 GHz |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1-Port | ||||||||||
| 2-Port | Standard | |||||||||
| DRA | ||||||||||
| Fx | ||||||||||
| 4-Port | Standard | |||||||||
| DRA | ||||||||||
| Fx | ||||||||||
| 6+-Port |
DRA — Direct Receiver Access; Fx — Frequency Extension Compatible
2-Portowe VNA 1.3 GHz TR1300/1
2-Portowe VNA 4.5 GHz V0402
2-Portowe VNA 6.5 GHz SC5065
2-Portowe VNA 6.5 GHz V0602
2-Portowe VNA 9 GHz SC5090
2-Portowe VNA 9 GHz V0902
2-Portowe VNA 9 GHz C1209
2-Portowe VNA 18 GHz M5180
2-Portowe VNA 18 GHz S5180B
2-Portowe VNA 20 GHz C1220
4-Portowe VNA 9 GHz C1409
4-Portowe VNA 20 GHz C1420
4-Portowe VNA 9 GHz C2409
4-Portowe VNA 20 GHz C2420
4-Portowe VNA 9 GHz C4409
4-Portowe VNA 20 GHz C4420
USB-wektorowy analizator sieci generuje sygnał wysokiej częstotliwości (RF), który może mieścić się w zakresie od 9 kHz do 330 GHz. Sygnał ten jest podawany na badane urządzenie (DUT), a jego wyjście może być skierowane do drugiego portu analizatora w celu analizy. Dodatkowo analizator może mierzyć odbicia sygnału, które wracają do portu źródłowego z wejścia DUT. To właśnie odróżnia VNA od innych przyrządów pomiarowych – potrafi on rozdzielać sygnały biegnące w dwóch przeciwnych kierunkach wzdłuż linii transmisyjnej i dokonywać ich pomiarów.
Gdy sygnał pobudzający kierowany jest na Port 1, amplitudy i fazy sygnałów z odbić mierzone przez odbiorniki A i B są normalizowane względem odbiornika R1. Dzięki temu bezwzględna moc wyjściowa sygnału nie ma znaczenia. Analogicznie, gdy pobudzenie trafia na Port 2, pomiary A i B są normalizowane względem R2. Dzięki pomiarowi sygnałów transmitowanych i odbitych (parametrów S) z obu stron, można przewidzieć zachowanie liniowego urządzenia (DUT) przy dowolnych impedancjach źródła i obciążenia.
Dla pełnego pomiaru 2-portowego sygnał pobudzający przełącza się naprzemiennie między Portem 1 a Portem 2. Gdy znajduje się na Porcie 1, mierzone są odbiorniki A, R1 i B. Wartość A/R1 odpowiada surowemu S11, a B/R1 to surowe S21. Następnie sygnał przełącza się na Port 2, gdzie mierzone są B, R2 i A. B/R2 daje surowe S22, natomiast A/R2 to surowe S12. Normalizacja odbywa się w układzie FPGA po wykonaniu wszystkich trzech pomiarów w danym kierunku. W tym samym układzie stosowane jest filtrowanie pasma IF za pomocą przetwarzania sygnałów (DSP), a dane są silnie próbkowane.
Zdekatyzowane dane surowe o niskiej przepustowości – S11, S12, S21 i S22 – są przesyłane przez złącze USB do oprogramowania wektorowego analizatora sieci firmy Copper Mountain Technologies (CMT) działającego na komputerze użytkownika. Tam możliwa jest kalibracja i prezentacja wyników w wybranym formacie.
Wektorowe analizatory sieci USB znajdują zastosowanie w wielu obszarach. Używa się ich m.in. do charakterystyki wzmacniaczy RF pod kątem wzmocnienia, strat odbiciowych (S11), dopasowania, punktu P1dB i stabilności. Kolejnym zastosowaniem jest pomiar właściwości filtrów RF, w tym tłumienia w paśmie przepustowym (S21) i zaporowym, a także dopasowania wejściowego. Dzięki szerokiemu zakresowi dynamicznemu możliwe jest jednoczesne badanie sygnałów silnych i słabych. VNA umożliwia także ocenę pracy anteny – analiza parametrów odbiciowych pozwala określić, czy antena skutecznie promieniuje energię.
VNA może być także wykorzystywany do pomiarów kabli, falowodów i materiałów dielektrycznych. W trybie Time Domain możliwa jest inspekcja kabli antenowych w celu wykrycia uszkodzeń lub zawilgocenia. W przypadku falowodów – np. w systemach radarowych – lokalizacja usterek możliwa jest przy użyciu odpowiednich adapterów. Ponadto, VNAs w paśmie milimetrowym mogą służyć do pomiaru stałej dielektrycznej materiałów arkuszowych, co ma znaczenie np. przy ocenie materiałów stosowanych w radomach. Pomiary są wykonywane bezkontaktowo, za pomocą anten skupiających wiązkę.
Wektorowy analizator sieci USB (VNA) znacząco różni się od analizatora widma (SA). VNA służy do pomiaru parametrów transmisji i odbicia badanego urządzenia (DUT), natomiast SA mierzy amplitudy częstotliwości doprowadzonych do swojego wejścia. Podczas gdy oscyloskop przedstawia przebiegi sygnałów w dziedzinie czasu, analizator widma pokazuje transformatę Fouriera tych sygnałów – dzięki czemu można zobaczyć wyraźnie amplitudy poszczególnych składowych częstotliwości. Na ilustracjach przedstawiono pomiar dwóch sygnałów (130 MHz i 220 MHz) za pomocą oscyloskopu oraz analizatora widma – różnica w czytelności danych jest znacząca na korzyść SA.
Różnice występują również w budowie wewnętrznej tych urządzeń. Typowy schemat blokowy analizatora widma (rysunek 6) zakłada podwójną przemianę częstotliwości (double heterodyne), co pozwala uniknąć problemów z obrazami mieszacza. Generatory lokalne (LO), szczególnie pierwszy w torze sygnałowym, muszą być wolne od zakłóceń i produktów intermodulacyjnych. W przypadku ich obecności może być konieczne przełączenie dodatkowej ścieżki IF oraz zmiana częstotliwości LO (np. z 15 GHz na 15.15 GHz), aby uniknąć zakłóceń w torze sygnałowym przy wybranych częstotliwościach pracy.
SA uznaje się zatem za szerokopasmowy odbiornik śledzący, który pokazuje ilość istniejącej mocy sygnału RF przy każdej częstotliwości – w zakresie pasma pośredniego (IF) ustalonym przez filtrację FIR w module DSP. Niektóre analizatory widma wyposażone są także w generator śledzący (tracking generator), który podąża za zakresem pracy odbiornika. Podłączając taki generator do wejścia DUT i wyjście DUT do wejścia SA, można zmierzyć charakterystykę częstotliwościową urządzenia. Funkcjonalność ta przypomina działanie VNA, jednak USB-wektorowy analizator sieci zapewnia znacznie większą precyzję i dodatkowo dostarcza informacji o fazie.
Tak, można ustawić zakres przemiatania na „Zero Span” i określić żądaną częstotliwość, a analizator VNA będzie generował sygnał o stałej częstotliwości. Istnieją jednak pewne zastrzeżenia. Seria Compact od CMT wykorzystuje pętle PLL typu fractional-N do generowania sygnałów o wysokiej rozdzielczości, co może powodować odchylenia częstotliwości rzędu ułamków herca. W związku z tym, jeżeli VNA ma pełnić rolę źródła częstotliwości i porównuje się go z innym generatorem sygnału, nawet przy wspólnym sygnale odniesienia 10 MHz, sygnał VNA może nie być idealnie zsynchronizowany z generatorem. Takie wymaganie jednak należy do rzadkości.
W przypadku pomiarów przy użyciu VNA nie jest wymagane, aby urządzenie trafiało idealnie w daną częstotliwość – kluczowe jest, aby wewnętrzne częstotliwości pośrednie (IF) mieściły się w paśmie filtra DSP zaimplementowanego w układzie FPGA.
Urządzenia z serii Cobalt (9 GHz i 20 GHz) wykorzystują syntezę bezpośrednią (DDS) do generowania precyzyjnych kroków częstotliwości, dzięki czemu w ich przypadku generowane sygnały są dokładne.
USB-owe analizatory sieci wektorowych (VNA) wymagają programowalnych źródeł mikrofalowych, szybkich przetworników ADC o rozdzielczości 14 bitów do próbkowania częstotliwości pośredniej (IF) oraz układów FPGA do realizacji cyfrowego przetwarzania sygnałów. W FPGA następuje cyfrowe mieszanie sygnału IF do zera oraz zastosowanie filtracji pasma IF za pomocą filtra cyfrowego FIR. Wszystkie te elementy są kosztowne. Dodatkowo, konieczne są szerokopasmowe wzmacniacze mikrofalowe, które wzmacniają sygnały do poziomu odpowiedniego dla lokalnego oscylatora (LO) i źródła stymulującego. Jeśli analizator ma zapewniać poziom wyjściowy +10 lub +15 dBm, wzmacniacz musi zapewniać jeszcze większe wzmocnienie, aby skompensować straty w torze pomiarowym. Wzmacniacze szerokopasmowe działające do 9 lub 20 GHz przy takich parametrach są bardzo kosztowne.
Koszt VNAs wynika głównie z zastosowania wysokiej klasy komponentów szerokopasmowych oraz układów FPGA. Jednak jeśli analizator zostanie zaprojektowany z wykorzystaniem zintegrowanych źródeł mikrofalowych VCO/PLL, zamiast bardziej złożonych systemów wielopętlowych z oddzielnymi generatorami VCO i DDS do precyzyjnego przestrajania, jego koszt można znacznie obniżyć. Taki właśnie ekonomiczny projekt zastosowano w serii Compact od CMT. Z kolei seria Cobalt korzysta z bardziej zaawansowanych metod syntezy sygnału, co przekłada się na wyższą dynamikę pomiarów.
