Параметры s11 s21 s12 s22

Содержание страницы: Краткое вступление Общая информация Для чего используются Какие бывают Видеообзор Ещё по этой теме

Краткое вступление

При измерении характеристик активных и пассивных радиоустройств (аттенюаторов, усилителей и пр.), а также свойств различных материалов (поглощение и отражение радиоволн, диэлектрическая постоянная и пр.) широко используются векторные анализаторы электрических цепей. Этот материал поможет получить основные сведения о векторных анализаторах, их разновидностях и решаемых с их помощью задачах.

Общая информация о векторных анализаторах электрических цепей

Определение четырёх S-параметров тестируемого устройства.

Каждый S-параметр содержит амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики тестируемого устройства в соответствующем направлении. Существует много стандартных способов отображения измеренных S-параметров на экране векторного анализатора электрических цепей. Вы сами можете выбирать, в каком виде просматривать результаты: в виде графика КСВ или обратных потерь от частоты, диаграммы Смита, амплитуды, фазы, вносимого затухания или усиления, групповой задержки и др.

Результаты измерения характеристик полосового фильтра.

Для того, чтобы выполнить измерение, анализатор электрических цепей подаёт на тестируемое устройство синусоидальный сигнал и измеряет сигнал, который отразился и сигнал, который прошёл через устройство. Оба сигнала (отражённый и прошедший) будут отличаться по амплитуде и фазе от тестового синусоидального сигнала. Если анализатор электрических цепей может измерять только амплитуду, то он называется скалярным. Если анализатор может измерять и амплитуду и фазу, то он называется векторным. Практически все современные анализаторы электрических цепей являются векторными, так как именно векторный анализатор позволяет наиболее полно измерить характеристики тестируемого устройства в заданном диапазоне частот.

На этом рисунке в упрощённой форме показано как работает векторный анализатор электрических цепей в режиме измерения передаточной характеристики в прямом направлении (S21). 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. При измерении в диапазоне частот, векторный анализатор цепей многократно изменяет частоту опорного сигнала в заданных Вами пределах. Конечно, это сильно упрощённое описание, но принцип работы иллюстрирует хорошо.

Упрощённая структурная схема векторного анализатора электрических цепей в режиме измерения передаточной характеристики в прямом направлении (S21).

Для чего используются векторные анализаторы цепей

Для чего нужны векторные анализаторы электрических цепей? Есть три задачи, которые они решают.

Примеры радиоустройств, для проверки которых применяют анализаторы цепей.

Пример измерения эффективной площади отражения радиоволн от тестового образца.

Какие бывают векторные анализаторы электрических цепей

Векторный анализатор электрических цепей топовой серии Anritsu VectorStar ME7838.

К приборам средней категории относятся компактные анализаторы серии ShockLine с верхним частотным диапазоном от 4 до 40 ГГц, выпускаемые в небольших, удобных корпусах. Они идеально подходят для решения большинства практических задач в лаборатории. Для управления работой этих анализаторов, обработки и отображения результатов измерений, используется персональный компьютер. На этой фотографии показан внешний вид модели ShockLine MS46322A с частотным диапазоном до 40 ГГц.

Векторный анализатор электрических цепей эконом-серии Anritsu ShockLine.

Если есть необходимость в проведении измерений, как в лаборатории, так и на удалённом объекте, очень удобно использовать портативные приборы, например переносной анализатор Anritsu VNA Master MS2038C, объединяющий в одном корпусе двухпортовый векторный анализатор цепей с частотой до 20 ГГц и полноценный анализатор спектра также до 20 ГГц. Ну а для случаев с минимальным бюджетом, производятся эконом серии с одним или двумя портами, например Anritsu MS20xxB или Pico Technology PicoVNA.

Видеообзор с базовой информацией по векторным анализаторам цепей

В этом видеосюжете мы рассмотрим общую информацию о том, что такое векторные анализаторы электрических цепей, расскажем про их разновидности, а также для чего они нужны и как используются.

Основные сведения об векторных анализаторах цепей и решаемых с их помощью задачах.

Дополнительная информация по этой теме

Мы специально не перегружали эту статью техническими деталями устройства векторных анализаторов электрических цепей и подробным описанием их опций. Всё это Вы можете подробно прочитать на страницах отдельных серий векторных анализаторов цепей. А чтобы глубоко разобраться в этом вопросе и повысить свой профессиональный уровень, изучите документы по базовой теории анализа параметров электрических цепей. Отдельная статья, в которой рассказано как калибровать анализатор цепей, находится здесь, а руководство по выбору необходимых для его работы аксессуаров находится здесь.

Если Вам необходима подробная информация по ценам или техническая консультация по выбору оптимального анализатора для Вашей задачи, просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы с радостью ответим на Ваши вопросы.

Полезные ссылки по этой тематике

Поделиться в соцсетях:

Если Вы не нашли интересующее Вас оборудование, обращайтесь к нам и наши специалисты сами проведут поиск, подберут аналоги и проконсультируют по вариантам комплектации. При подборе будут учтены все Ваши требования к точности, надежности и стоимости.

Источник

Параметры s11 s21 s12 s22

Современная радиотехника настолько сложная наука, что она уже давно разделилась на несколько отдельных областей знаний, в которых присутствуют похожие и даже тождественные понятия, которые имеют совершенно разные определения. Это приводит к большой путанице. А если учесть тот факт, что некоторые понятия, например понятие «возвратные потери», имеют определение совершенно противоположное своему названию, то это может не слабо напрячь мозг не только радиолюбителя, но и специалиста. Чем же отличаются такие понятия как коэффициент отражения, «возвратные потери», КСВ, S11? Зачем или скорее почему столько схожих понятий? Попробуем разобраться…

Разбираться начнем с S-параметров. Эти параметры были введены как универсальные для анализа любых СВЧ цепей. Такую цепь можно анализировать измеряя падающую и отраженную волны на ее входах/выходах. Связь между этими волнами описывается волновой матрицей рассеяния или матрицей S-параметров, которые зависят от частоты. В общем случае мы можем иметь дело с многополюсником (например СВЧ-сумматор или разветвитель), в котором может присутствовать несколько источников сигнала и несколько нагрузок. Чтобы упростить расчеты, все эти источники и нагрузки заменяются одним понятием — «порт».

Следует отметить, что величина возвратных потерь, выраженная через |S11| всегда меньше единицы (в децибельном выражении всегда отрицательна), ведь отраженная мощность не может превышать падающую. Что логично. Тем не менее, в теории уже давно присутствует понятие с тем же названием RL — «возвратные потери», но определяется оно «вверх тормашками», как отношение падающей мощности к отраженной, и в децибельном выражении величина таких «потерь» всегда положительна. При этом, при КСВ стремящемся к единице такие «возвратные потери» стремятся к бесконечности. У нас идеальный КСВ, а какие то там «потери» просто зашкаливают! Это у кого угодно может вызвать нешуточный разрыв шаблона. На самом деле эта величина характеризует степень ослабления отраженной волны в сравнении с падающей, но какие же это потери/убытки черт возьми! Скорее прибыль. Такое вопиющее несоответствие понятия его определению даже отмечено в Википедии, цитата:

From a certain perspective ‘Return Loss’ is a misnomer. The usual function of a transmission line is to convey power from a source to a load with minimal loss. If a transmission line is correctly matched to a load, the reflected power will be zero, no power will be lost due to reflection, and ‘Return Loss’ will be infinite. Conversely if the line is terminated in an open circuit, the reflected power will be equal to the incident power; all of the incident power will be lost in the sense that none of it will be transferred to a load, and RL will be unity. Thus the numerical values of RL tend in the opposite sense to that expected of a ‘loss’. Wikipedia

Данное определение «возвратных потерь» с большим положительным значением более старое, было введено в обиход еще в 60-х годах прошлого века с легкой руки инженеров фирмы Hewlett Packard. Отказаться от старого очень сложно и споры о том какое определение возвратных потерь правильное, первоначальное от Hewlett Packard или более логичное через S11, в инженерной среде не утихают по сей день. Однако в децибельном выражении они отличаются только знаком и многие даже не обращают внимания на эту коллизию.

Параметр S21/S12 («transmission coefficient») — это отношение волны на выходе устройства к волне на входе. Модуль параметра S21 в теории СВЧ устройств иногда называют «insertion loss» — вносимые потери. В случае нашего примера с линией передач «insertion loss» — это реальные тепловые потери линии. Тут все совпало. Волна в этом случае на самом деле частично рассеялась при прохождении по линии и ее энергия преобразовалась в тепло. Но так бывает не всегда. Например теми же S-параметрами описываются и свойства СВЧ транзисторов. В этом случае S21 — это коэффициент передачи транзистора, близкий по смыслу к параметру h21 — коэффициенту усиления, а не потерь.

В антенне с одним портом мы имеем дело только с одним параметром — S11 или, иначе говоря, со старым добрым теплым-ламповым коэффициентом отражения. Рассчитав в симуляторе или измерив его векторным анализатором мы однозначно можем вычислить и входной импеданс, и полосу пропускания и КСВ антенны. В двухпортовой MIMO антенне S-параметров уже четыре. Причем S21/S12 в этом случае характеризуют развязку между MIMO портами. Вообще в антенной технике энергия должна идти куда надо, т. е. излучаться в пространство, а не «рассеиваться» где ни попадя и «болтаться в проруби» туда сюда между портами и по линиям передач. Поэтому модуль любого S-параметра антенны должен быть минимальным или в децибельном выражении как можно более отрицательным.

Как видим, радиотехника в широком смысле, в силу своей сложности, разделилась на лоскутный набор узких дисциплин. Инженеры, работающие в отдельной такой дисциплине, придумывают для себя удобное для работы понятие, особо не задумываясь, что оно где то в смежной области уже давно изобретено. В итоге одно и тоже явление в разных дисциплинах описывается разными терминами, либо совершенно разные явления названы одним термином. Как в старой доброй сказке «Королевство кривых зеркал». А куда деваться? Так уже сложилось. Нужно просто «понимать глубину наших глубин».

Источник

Обзор векторного анализатора цепей NanoVNA

Статья по большей части рассчитана на новичков, и ее задача познакомить широкий круг начинающих радиолюбителей с подобной техникой. Так что матерых радиоинженеров и опытных радиолюбителей прошу не бомбить в комментариях, а по делу дополнять, если это будет уместно.

Хорошая измерительная техника – это больной вопрос для радиолюбителя. Профессиональные приборы стоят дорого, да и достать их не всегда возможно. Измерительная аппаратура прошлых поколений или советская, хоть и доступна, но, как правило, очень габаритна, часто ломается и по факту, не очень удобна в использовании. Что же делать, если хочется иметь хороший парк измерительной техники, но денег почти нет? Радиолюбители из Китая спешат на помощь, и не так давно на рынке появился векторной анализатор цепей NanoVNA. NanoVNA – это не только антенный анализатор, как многие его по ошибке называют, а устройство, которое, кроме измерения КСВ, активной и реактивной составляющих импеданса, может гораздо больше.

Что такое векторный анализатор цепей?

Векторный анализатор электрических цепей – это прибор, который измеряет характеристики прохождения сигнала через некое исследуемое устройство, а также характеристики отражения сигнала от его портов. Эти характеристики называются S-параметрами. Для двухпортовых устройств (к которым, кстати, и относится NanoVNA) характеристика отражения от первого порта называется S11, характеристика передачи в прямом направлении называется S21. Также серьезные векторные анализаторы способны измерять передаточные характеристики в обратном направлении S12 и отражение от второго порта S22. Увы, NanoVNA, в силу своих конструктивных особенностей, такого не умеет (цена, цена, дорогие друзья, помним о цене), тем не менее, эти характеристики тоже можно получить, но про S-параметры и прикладное использование NanoVNA мы поговорим ниже.

Внешний вид

Откровенно говоря, выглядит NanoVNA очень несерьезно. На первый взгляд кажется, что это какая-то игрушка.

Да и корпусом это назвать не поворачивается язык, поскольку в качестве корпуса у NanoVNA используются два куска текстолита закрывающие плату прибора сверху и снизу, но не закрывающие с боков.

Сбоку у нашего анализатора находятся порты для подключения измеряемых цепочек, кабелей, антенн и.т.д.

Разъемы типа SMA мама, это на мой взгляд недостаток, поскольку сами разъемы не предназначены для постоянного подключения-отключения кабелей, они довольно быстро изнашиваются, но в прибор с такими размерами сложно интегрировать что-то более крупное, поэтому, что имеем, то имеем.

Технические характеристики

Фактически, все современные приборы от того же Rohde&Schwarz работают под управлением промышленных ПК с использованием обыкновенного Windows XP или подобной системы. С НаноВНА мы тоже можем сделать подобную вещь. Прибор через USB соединяется с ПК под управлением Windows, устанавливается программа типа NanoVNA Saver и, вуаля, мы имеем отличный функционал и удобное управление.

Что такое S-параметры?

Дабы внести полную ясность в процесс измерения, неплохо было бы разобраться, что же измеряет векторный анализатор цепей и что же такое S-параметры, которые мы обозначили ранее. Именно с ними нам придется иметь дело, и без понимания, что такое S-параметры вы не разберетесь, как работает NanoVNA да и любой другой VNA (Vector Network Analyzer) тоже, поскольку все строится вокруг этих самых параметров. В школе такое не проходят, поэтому будем учиться заново.

S-параметры, или как их еще называют, параметры рассеяния, пришли к нам из области сверхвысоких частот и оптики. Эти параметры могут использоваться для описания электрических характеристик устройства или какой-нибудь радиочастотной цепи. Говоря простым языком S-параметры, это ВЧ энергия, которая отражается от тестируемого устройства или передается через него. Это может показаться несколько запутанным и для понимания процесса его нужно упростить и перевести все в плоскость того, что можно себе представить. Для примера возьмем линзу и пропустим через нее некоторое известное нам количество света.

Мы знаем, сколько отправили света на линзу и в ходе измерений мы можем измерить, сколько света прошло через линзу, и сколько света отразилось от поверхности линзы и вернулось к нам обратно. Собственно, этот процесс и описывает S-параметры.

Параметр S11 – это то количество света или ВЧ энергии, которое мы отправили в линзу или в нашу радиочастотную цепочку и которое, отразившись частично к нам, вернулось обратно, а S21 – это то количество энергии, которое сумело пройти через линзу, или наше РЧ устройство и то, что мы зафиксировали на другом входе анализатора.

Управление NanoVNA

Управлять NanoVNA напрямую можно либо через сенсорный резистивный экран прибора, либо джойстиком, который находится сверху, рядом с выключателем прибора.

Индикация

На дисплее NanoVNA выводится довольно много информации. Разобратиься с ходу, что есть что в этой мешанине из цифр и графиков не просто. Давайте по порядку.

В верхней части дисплея находятся заголовки графиков, то есть какой параметр и на каком канале в данный момент измеряется. Например, CH0 (CHANNEL) указывает на то, к какому порту относится график. Следующий пункт (FORMAT) указывает, в каком формате отображаются данные. Далее идет масштаб (SCALE) по оси Y. Затем идет значение, на которое указывает маркер находящийся на данном графике (MARKER).

У левого края дисплея находится статус калибровки. С(0-4) указывает какая калибровка используется в данный момент. Остальные символы D,R,S,T,X указывают какие процедуры выполнялись в ходе калибровки (D: Directivity, R: Reflection Tracking, S: Source Match, T: Transmission Tracking, X: Isolation).

Калибровка NanoVNA

Как и любому измерительному прибору, NanoVNA требуется калибровка, позволяющая в ходе измерений получать результаты близкие к реальным. Калибровка возможна как в варианте, когда прибор используется без ПК, так и в варианте с ПК. Скажу даже больше, калибровка крайне необходима, и об особенностях калибровки стоит сказать отдельно.

Как мы помним из ТТХ, у NanoVNA фиксированное количество точек измерения. И вне зависимости от выбранного диапазона частот это количество равно 101! Поэтому если мы выполним калибровку в диапазоне 50 кГц – 900 МГц по 101 точке, то калибровка получится очень грубая, примерно одна точка на 9МГц. Поэтому если мы хотим повысить точность измерений, то, во-первых, необходимо выполнять калибровку перед каждой сессией измерений, а во-вторых, если нам известен диапазон частот в котором мы будем проводить измерения, калибровка должна выполняться в рамках этого диапазона! То есть, если мы проводим измерения в диапазоне частот, например, 430-450МГц, с количеством точек 101, на каждую точку получится примерно 200кГц, что вполне не плохо.

Также следует сказать о том, что если вы планируете проводить измерения вместе с комплектными кабелями (или какими-то другими кабелями которыми вы будете подключаться к измеряемым цепочкам), то калибровка должна проводиться с подключенными кабелями! Это важно!

Для OSL (Open, Short Load) калибровки требуется специальный калибровочный набор из 3 (а желательно 4) эквивалентов нагрузки. Эквивалент 50 Ом (желательно 2 штуки), эквивалент 0 Ом, эквивалент бесконечного сопротивления, бочонок-соединитель (SMA-мама-мама) и набор из двух кабелей.

Перед калибровкой желательно сбросить старую калибровку которая хранится в памяти нашего устройства. Подсоединяем к NanoVNA комплектные кабели, если предполагается работать с ними. На конец кабеля, подсоединенного к порту CH0, прикручиваем соединительный бочонок.

В меню STIMULUS выбираем частотный диапазон, на котором будет проводиться калибровка и последующие измерения.

Далее заходим CAL > CALIBRATE.

Примитивно проверить калибровку можно так. Подключаем к порту CH0 напрямую или через кабель эквивалент нагрузки с сопротивлением 50 Ом и на диаграмме Вольперта-Смитта или на графике КСВ мы должны в первом случае увидеть точку, а во втором – прямую линию во всем диапазоне исследуемых частот. Для проверки калибровки порта CH1 нужно соединить порты напрямую кабелями и на графике LOGMAG порта CH1 наблюдать прямую без горбов и провалов линию. Если все так, значит можно переходить к измерениям.

Использование NanoVNA вместе с ПК (NanoVNA Saver)

Это на мой взгляд, самый предпочтительный способ использования этого замечательного прибора в составе лабораторного оборудования. Для NanoVNA написано довольно много программ, позволяющих получать и обрабатывать данные с этого векторного анализатора цепей. Всех их мы касаться не будем, остановимся на одной, на мой взгляд, самой удобной и наглядной, это NanoVNA Saver, написанной Rune B. Broberg. Программа постоянно обновляется, на текущий момент актуальной версией была 0.1.5, но, возможно, когда вы будете читать эту статью, выйдет более свежая версия, если что-то радикально изменится, пишите в комментариях к этой статье, постараюсь ее актуализировать. Подробно разбирать интерфейс и функционал программы мы не будем, но для общего понимания коснемся основных блоков.

Внизу слева находится блок технических настроек управления NanoVNA. Здесь можно задать текущие параметры, такие как опорная точка, относительно которой будут проводиться измерения (Set current as reference), и сброс опорной точки (Reset reference).

Кнопка (Analysis) позволяет быстро проводить анализ фильтров.

Корпус

Поскольку изначально NanoVNA обладает довольно хлипким корпусом радиолюбители со всего мира придумывают к нему всяческие улучшения для удобства. В частности, радиолюбитель из Австралии VK5ZBR разработал и выложил в открытый доступ модели для 3D принтера которые позволяют напечатать корпус для NanoVNA, что в значительной степени повышает надежность и удобство использования этого устройства. Выглядит корпус — вот так.

Внутри

Следует отметить, что прибор разработан как радиолюбительский проект. Все исходные коды и платы открыты. Любой желающий может повторить этот прибор построив его своими руками, чем и воспользовались ушлые китайцы.

В целом, качество сборки на нормальном уровне, больших претензий к монтажу у меня нет. В интернетах ходит поверье, что в Китае надо брать NanoVNA с черными крышками. Якобы они лучше собраны. У меня как раз такой.

Схема

Как и Mini600, NanoVNA построен по схеме супергетеродинного приемника. Подробно схемотехнические решения описывать не буду, это скучно, а вот схему анализатора приложу.

Лично мое мнение таково. NanoVNA – это совершенно потрясающий векторный анализатор. За те деньги, которые за него просят китайцы – это просто подарок для радиолюбителя исследователя-экспериментатора. Соотношение цена-качество просто невероятное. За довольно скромные деньги вы получаете замечательный прибор, который во многом не уступает фирменным VNA. Безусловно, он с ними не сравниться по точности, частотному и динамическому диапазонам, но для большинства повседневных задач разработчика-радиолюбителя, его вполне достаточно.

Есть ли у него недостатки? Есть. Отбросим фактор цены, ясное дело, что за 50 долларов ему можно простить все.

Сейчас опишу, что не понравилось, лично мне.

Поэтому, хотя NanoVNA и можно использовать в варианте без ПК – чисто как антенный анализатор, который можно везде таскать с собой для настройки антенн, я бы не стал. Он слишком хрупкий даже с использованием пластикового напечатанного корпуса. Хотя, если вы супер глазастый и супер аккуратный человек, то и такой вариант имеет право на жизнь, но учитывая эргономику прибора, пользоваться им в полях не очень удобно. А вот как настольный прибор NanoVNA заслуживает всяческого одобрения и попадает в разряд совершенно необходимого оборудования для радиолюбительских задач. Именно на столе в паре с компьютером он раскрывается на все 100%. Но учитывая его цену, можно купить себе пучок этих NanoVNA и использовать и дома, и везде, где только можно. Сломается и ладно, RigExpert же стоит во много раз дороже.

Также у китайцев можно приобрести версию NanoVNA-H, в красивой черной коробочке (вариант для состоятельных господ ). Комплектация аналогична стандартной, но дополнительно в этой версии включен кабель для соединения со смартфоном или планшетом и прибор идет сразу с пластиковым корпусом.

Источник

• ← Параметры rssi rsrp rsrq sinr
• Параметры samsung galaxy a21s →