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一下子普及到几乎所有射频工程师手中

发布时间:2018-05-16 05:47 来源:未知 编辑:admin

  若干电气元件彼此毗连构成的系统叫做收集。“收集”能够作为电路的代名词,“收集阐发”就是电路阐发,只是泛泛很少如许说,由此添加了几分奥秘色彩。到了射频通信范畴,能够把任何具有一个以上端口的电路单位称为收集,而且常常把这种收集视为“黑箱”,并不去关怀电路单位内部是怎样回事,而是给端口加上恰当的激励信号,测试电路的反映,从而表征这个收集的特点。射频通信范畴常说的“收集阐发”,就是这种以端口为界,描画射频电路机能的工作。

  为了进一步领会收集阐发给我们带来的便当,有需要先领会收集阐发的言语散射参数。图(1)是一个型衰减器,图(2)是它的电路图,若何最简单明白的描述它的机能呢?熟悉保守电路阐发的人不难想到,能够先把左边的端口开路,然后用万用表测试右边的电阻;再把右边开路,测试左边的电阻。给右边通上恰当的电流,然后用电压表测试左边的电压,然后反过来再测试一次。按照这些数据顺次获得四个参数:开路输入电阻、开路输出电阻,开路正向传输电阻、开路反向传输电阻。当看到这一堆似曾了解参数之后,您必然会问:这工具与衰减器有啥关系,大师喜闻乐见的衰减量是几多?

  这个例子申明,在低频电路上常用的Z参数(开路阻抗参数),用在射频通信范畴既不合适习惯,也难以丈量。归纳起来,有三个主要缘由促使我们选择一种新的参数来描述电路:(1)大大都射频电路不答应端口开路或短路,由于如许做会让电路偏离预定的工作形态;(2)波长很短的时候,即便信号只传布很短距离,也会发生不成轻忽的相位挪动,使测试计较变得很是坚苦;(3)需要有一整套方式,可以或许按照所获得的参数敏捷简洁的设想电路。基于上述缘由,散射参数应运而生。

  散射参数(Scattering Parameters)常被简称为S参数。和阻抗参数雷同,对于有两个端口的收集(例如衰减器)而言,它也包罗四个部门,用Sij暗示,此中,i暗示待检测端口,j暗示激励信号的入射端口:

  S11:被测器件(device under testing,简称DUT)的一个端口对信号的反射量,又称回波损耗;

  S21:信号通过被测器件时发生的变化(幅度和相位变化,又称插损或增益);

  当一个端口在测试时没有被用到时,应接上婚配负载,于是电路可以或许很是接近一般的工作形态。丈量散射参数,只需要领会信号流经被测器件时发生的变化,同时又不会对电路的一般工作形成影响,因而愈加简单、间接。后面将要引见的收集阐发仪,就是特地丈量散射参数的安装。

  四个S参数都代表出射信号与入射信号的电压比(或功率比,在计较时应同一)。仍是用衰减器来举例,图(2)中,入射信号的功率是1W,颠末待测器件,输出0.1W,则S21=0.1/1=0.1。换算成分贝值则为-10dB。于是这支衰减器的衰减量是10dB。这一相对值又是频次的函数。跟着频次的变化,衰减器的衰减量可能发生波动。把频次作为横坐标,衰减量作为纵坐标,能够获得幅度频次特征图,简称幅频特征图。

  有的时候还需要关怀信号通过电路当前相位发生的变化。例如一支天线的信号,在天线的端口上测到反射信号功率为入射信号的0.5倍(称为反射系数),可是反射信号与入射信号之间,电压的相位相差了90度,则天线dB的回波损耗,且相位滞后90度。

  领会了散射参数当前再来切磋收集阐发的效益就很容易理解。上面举例的衰减器,当对他进行收集阐发当前,间接获得了衰减量这个参数,就能直观的领会衰减器接入射频电路当前会发生什么结果。下面天线的例子,进一步申明了这种阐发方式的便利之处。

  通过收集阐发,可以或许间接测到天线参数,包含一个幅度(或功率)关系和一个相位关系,例如0.590。图(3)是一个极坐标的S11关系图,它的径向坐标代表幅度关系,绕轴扭转的角度代表相位关系。图(4)是一个直角坐标暗示的阻抗图,横坐标代表电阻,纵坐标代表电抗。对图(4)做从直角坐标到极坐标的坐标变换,并让刻度合适单元阻抗(Zn=Z/Z0,Z0=50)与反射系数()之间的关系式Zn=(1+)/(1-),能够获得图(5)所示的阻抗圆图。图(3)和图(5)堆叠起来,获得史姑娘圆图(Smith Chat,图6)。在这张图上,能够按照S11参数,间接读取天线的输入阻抗。我们的目标是婚配以传输最大的功率,这时有两种方式:(1)传输线结尾供给一个与天线输入阻抗共轭的输出阻抗;(2)通过调试和接入婚配元件,让天线欧。对于后一种方式,婚配元件的大小,能够在史姑娘图上便利的求解。

  非论是反射系数-相位图仍是史姑娘图,都没有频次坐标。一个频次的S参数,只对应图上的一个点。收集阐发仪显示成果的过程,就是扫描若干频次,然后把测得的S参数都画在图上,用滑润的曲线毗连起来。

  现实上人们发了然一整套利用S参数的法子,可以或许极大的简化射频电路设想。这方面曾经有良多材料,感乐趣的读者能够自行领会。

  有了上文的根本,此刻我们该当关怀一下若何求得S参数。在好久以前,求S参数虽然曾经是收集阐发中最便利的手段,但仍是一件很是麻烦的工作。道理上无外乎用信号源给待测器件送入一个不变的信号,然后用电平表测输出功率,或者用丈量线在分歧的距离上测试电压,从而计较获得幅度和相位。问题就在于这种测试每次只能针对一个频次,若是要领会分歧频次上的变化趋向,就需要进行多次丈量,有的时候一测就是几天。

  跟着主动化手艺的成长,计较机节制的收集阐发仪问世,这种仪器能够接二连三的对多个频次的S参数进行丈量,并且只需要若干秒时间。出格是比来十年,3GHz以下的收集阐发仪大幅度降价,在国内还呈现了所谓“公版”仪器,各地厂商如火如荼,让这种以前只要大型科研单元才能安设的高贵设备,一会儿普及到几乎所有射频工程师手中,不久的未来,还会普及到快乐喜爱者手中。

  扫频仪是一种S21参数的测试安装,它的框图如图(7)。它由一个频次可变的信号源和一个检波器构成。待测器件接在信号源和检波器之间。测试时,先把检波器间接接在信号源上,让信号源扫过所有需要测试的频次,并把检波器检测到的幅度存储下来。接上待测器件之后,检波器检测到一个新的幅度(功率)值。把新的幅度值与适才存储的幅度值进行比力,即可获得S21参数。用计较机节制信号源持续的扫描,能够绘制出幅频特征图。

  为扫频仪添加反射电桥或定向耦合器,便可用于丈量S11参数。S11参数和电压驻波比(VSWR)之间能够间接换算,因而又能够显示驻波比曲线。

  图7的扫频仪只要一个检测通道,这种仪器给出的S参数虽然是相对值,可是丈量的倒是绝对值。从绝对值到S21参数,靠的是把测试成果与存储的成果进行比力。这种体例无法回避一个问题:跟着待测器件的分歧,信号源的输出功率可能会发生变化。为了消弭这种误差,凡是利用两通道的扫频仪(图8),此中一个通道作为“参考通道”。用分路器从信号源上间接取出一部门信号送进参考通道,另一个通道数值和参考通道进行比力,获得S参数。泛泛看到的标量收集阐发仪几乎都是这种多通道的扫频仪。

  多通道的标量收集阐发仪还能够借助一些巧妙的法子实现矢量阐发,例如卡雷尔霍夫曼的手艺。跟着矢量阐发仪的前进,这种使用曾经日趋削减。

  扫频仪的检波器具有宽带特征。非论是测试信号,仍是信号源的谐波以及外部耦合的各类干扰,都同时被检波。被测器件若是是陷波器,对谐波就不克不及发生无效的压缩,于是测到的陷波量不克不及小于谐波的量。若是被测器件是曾经安装好的天线,那么天线领受到的空中信号也会进入检波器,这会导致测到的驻波值虚大。此外,检波器的动态范畴凡是最多达到70dB摆布,导致仪器的动态范畴较小。

  带跟踪源的频谱仪把扫频仪的检波器换成了频谱仪的领受机。频谱领受机只响应中频带宽内的信号,跟踪源的谐波和外部耦合的干扰不合错误测试成果发生较着影响,因而能够测试陷波型器件。频谱仪具有较低的检波噪声和优良的中频放大器,这种由跟踪源和频谱仪构成的收集阐发仪凡是能达到100dB以上的动态范畴。

  若是没有跟踪源,能够利用频谱仪的最大值连结功能,与手动扫描的信号源构成简略单纯收集阐发系统。

  一些高档的标量收集阐发仪也采用雷同方案。因为收集阐发仪的信号源频次及其谐波是能够预知的,因而这种仪器的“频谱领受机”并不需要太好的带外抑止目标,能够采用比凡是的频谱仪简单得多的领受机。

  除了一些特殊场所,前面谈到的收集阐发仪只能获得幅频特征图及由它衍生而来的驻波曲线图,因而是标量仪器。要想获得被测器件的阻抗参数,必需对输入、输出信号的相位进行比力,因此需要用到矢量收集阐发仪(Vector Network Analyzer,VNA),简称矢网。所有的收集阐发仪都由信号源和某种形式的、特地用于检测信号源发出的信号的检测器构成,矢网与标网的次要硬件区别在于检测器。为了在足够的动态范畴长进行矢量检测,一般来说需要先对信号进行混频,用中频滤波器切确的选通信号源发生的信号,然后在中频长进行相位比力。这种仪器的道理如图(9)所示。

  汗青上,相位检测多是基于触发器道理。起首对需要比力相位的两路中频信号进行整形,然后送入两个触发器中。当一个触发器被信号的上升沿过零触发的时候,计数器起头数时钟脉冲。当另一个触发器被触发时,遏制脉冲计数。如许获得的是两路中频的上升沿的时间差。因为中几次率是已知的,颠末简单换算就能获得相位差。假设中几次率是100KHz,为了获得0.1度的相位分辩率,在不采用额外手段的环境下,需要时钟频次高于360MHz。

  当前常用的相位检测方式基于同步检波的道理,而且逐步依托数字信号处置手艺来实现。同其他方式一样,待测件的输出信号和输入信号的一部门(称之为参考输入,在仪器上用R端口暗示)起首被同步下变频到比力低的中几次率。若是不设参考通道,则信号源需要同变频本振锁相。颠末中频滤波和幅度调度当前,用ADC进行同步采样,获得的数字信号进入大规模FPGA,进行数字变频发生两组I/Q信号,经数字滤波后,将此中一组信号取共轭当前与另一组信号相乘,再采用恰当的矢量扭转算法求取相位差。也能够采用其他数学运算求得相位差,这些处置根基上由软件完成,具有很高的矫捷性。对数字处置过程进行细心设想,可以或许以比力高的效率达到0.1度以内的鉴相精度。

  仅仅获得相位差和幅度差是不敷的测到的这些数值,并不是待测件上的实在环境。非论是混频、滤波、信号调度,仍是电缆、插座、电桥,城市对幅度和相位形成影响,必需把这些影响从测到的原始数据上消去才能获得准确的成果。对于S11丈量误差的消弭,凡是采用开路-短路-负载三步法校准。这种校准要求先将仪器端口开路,存储开路形态下的一组数据,然后再存储短路和接婚配负载时的数据。这些数据作为误差模子的已知量,用于确定肆意其他测试时的误差并让成果返璞归真。

  采用恰当的校准模子,不单能消去仪器表里各类毗连线的电长度误差、滤波器和放大器的相移,还能大幅降低对硬件的某些目标的要求,正巧这些目标本来曾经很难提高了,电桥的定向性就是一例。

  这里举一个抱负化的例子,现实环境复杂得多。已知驻波电桥的定向性为0dB,即没有定向性,若何丈量一个回波损耗小于30dB,即驻波小于1.1的天线?领会天禀仪的读者大概认为有点天方夜谭,可是校精确实能处理这个问题前提是正向信号的提取点和电桥之间有缓冲。试想若是给仪器接上婚配负载,将此时测到的正向信号和“反向信号”的幅度和相位关系存储下来。然后接上天线,让仪器从头丈量,并按照适才存储的相位幅度关系,推算出本底的“反向信号”,将其从成果中减去,就获得了现实的反向信号。此时您大要在想,若是S21测试的隔离度欠好,可否如法炮制?

  适才我们做了一个减法,让定向性无中生有,看起来很好玩,但成本却很高。仪器必需有足够的相位和幅度分辩率,软件才能算出并不太多的一点定向性来。两个正弦信号,若是丝毫不差,它们相减刚好等于零。若是差一点点,相减当前就会留下不少工具。对于矢网而言,0.1dB的幅度分辩率和0.1的相位分辩率是最少的目标。在如许的分辩率上连结不变很难,一旦漂移或改变测试前提,校准模子即刻失效,因而要经常校准。

  通过上面的论述,收集阐发能做什么,读者可能曾经比作者还想得远了。最初再为大师梳理一下,作为文章的结尾。

  最简单的收集阐发仪扫频仪,操纵少量的附件(例如驻波电桥),曾经能够满足通信工程中的大部门验证性用处和少部门调试用处之需,获得的是S11和S21标量数据。例如查验天线、电缆、分路器等射频器件。若是软件支撑,还能当信号发生器和场强表利用,虽然不太精确。同时,扫频仪能够调试带通滤波器,寻找线圈协调振收集的谐振点,对于带阻滤波器、陷波器等,若是不要求很大的陷波比,也能够进行初步的调试。在调试大陷波比的陷波器(例如双工器)时,可通过串联低通或带通滤波器来增大察看范畴。当然,扫频仪是一种简单的标量仪器,无法间接读出阻抗,也就不克不及直观的找出婚配参数。基于宽带检波的特征,也不主意用它调试放大器和其它有源电路。

  天线阐发仪属于单端口收集阐发仪。虽然良多工具都叫天线阐发仪,可是性质却相差甚远。若是把电桥内置在扫频仪中,就成为最简单的天线阐发仪,可以或许测试天线的驻波曲线。非论是扫频仪仍是这种简单天禀,用于有强烈外部干扰的场所都可能使测试成果虚大。

  介于扫频仪和矢量天线阐发仪之间,还有一种“半矢量天禀”,它具有某种形式的测试相位或阻抗的能力,可是并不供给校准功能。用它测一支100纯电阻的天线,若是毗连了相当于八分之一波长的电缆,就会被测成40-j30。做这种测试时必需进行人工批改,不然具有利诱性。合理操纵这种天禀,能够对天线、放大器的输入阻抗进行调试,能够测得天线、线圈的谐振点。若是软件支撑的话,也能当信号源利用。

  矢量天禀是尺度的收集阐发仪,能够测得复数的S11参数及由它衍生而来的一系列数据。因为具备完美的校准功能,所能测试的回波损耗范畴凡是优于50dB,测得的阻抗也是可托的。对一个频带的测试数据进行傅里叶逆变换,能够获得若干时域参数,好比电缆在分歧距离上的回损。矢量天禀在通信以外的范畴也获得了必然程度的使用,例如测试农作物的含水量。

  带跟踪源的频谱仪和带跟踪领受机的标量网分具有与扫频仪雷同的用处,可是它们都具备优秀得多的动态范畴和较好的选择性,能够用于强干扰前提下的天线丈量和大陷波比的陷波器调试,例如调试双工器。

  全功能的双端口或多端口矢网囊括了上述所有用处,具备强大的阐发功能。需要提到的是全功能矢网一般标配群延时显示和功率扫描功能。后者能够对器件的非线性特征进行阐发。

  收集阐发仪的品种八门五花,远不止上面几种。它们都具有信号源和若干个幅度或相位幅度检测通道。连系需要的信号分派安装,内置或外置的定向电桥、耦合器形成完整的仪器。网分的用处也不是固定的,懂得它的丈量道理之后,能够引申出很多巧妙的用法,把它比作射频范畴的全能表毫不为过。收集阐发和收集阐发仪是设想、调试、改良射频电路的最根基,同时也该当是最常用的手段和东西。控制收集阐发手艺之后,射频通信电路的设想制造将愈加富风趣味。吉祥彩票贴吧樂博现金彩票游戏樂博现金彩票游戏

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