wersja mobilna
Online: 373 Niedziela, 2016.12.11

Technika

Wektorowe analizatory obwodów o uproszczonej obsłudze

wtorek, 29 marca 2016 12:34

W umysłach inżynierów zajmujących się projektowaniem układów w.cz. tkwią najczęściej dwa typowe skojarzenia dotyczące wektorowych analizatorów obwodów (VNA). Wielu z nich uważa, że przyrządy te praktycznie nie różnią się od siebie. Wielu też twierdzi, że sama analiza obwodów jest procesem skomplikowanym i czasochłonnym. Dostępne obecnie wektorowe analizatory obwodów dla zakresu w.cz. i mikrofalowego niestety utwierdzają ich w tym przekonaniu, gdyż często są one niezbyt przyjazne w obsłudze, a poza tym zdarza się, że nawet modele pochodzące od tego samego producenta różnią się funkcjonalnością i wyglądem interfejsu użytkownika.

Fot. 1. Dzięki połączeniu znakomitych parametrów i dużej funkcjonalności analizator E5080A pozwala użytkownikom zrealizować zaplanowaną pracę w krótszym czasie

Niezależnie od zastosowanego interfejsu użytkownika, inżynierowie prowadzący prace nad nowymi technologiami zawsze poszukują w nowych modelach VNA większej funkcjonalności i lepszych parametrów. Dla przykładu, ci zajmujący się charakteryzacją filtrów w.cz. stosowanych w stacjach bazowych 4G i nowszych technologii potrzebują przyrządów o znacznie szerszym zakresie dynamicznym - co najmniej o 10 dB niż obecny standard - aby móc szybciej i precyzyjniej mierzyć moc sygnału w paśmie zaporowym filtrów o dużym nachyleniu zboczy. Podczas produkcji wielkoseryjnej układów w.cz. stosowanych w smartfonach i tabletach zapewnienie ciągłości dostaw wymaga dużej przepustowości linii produkcyjnych.

Firma Keysight próbuje zmienić przytoczone wcześniej opinie użytkowników odnośnie do wektorowych analizatorów obwodów oraz spełnić ich oczekiwania techniczne, wprowadzając na rynek jednolitą platformę dla analizatorów pracujących w zakresie w.cz. i mikrofalowym. Punktem startowym jest tu nowy model E5080A ENA.

Jest to analizator nowej generacji, zapewniający najlepsze parametry w swojej klasie i dużą funkcjonalność. Dzięki zastosowaniu intuicyjnego interfejsu dotykowego ENA pozwala usprawnić procedury pomiarowe i zrealizować zaplanowaną pracę w krótszym czasie. Bardzo dobre parametry analogowe pozwalają zwiększyć przepustowość na liniach produkcyjnych, a w zastosowaniach laboratoryjnych zwiększyć marginesy projektowe, uzyskać większą pewność co do wyników pomiarów i skrócić czas wprowadzania nowych produktów na rynek.

Model E5080A występuje w wersjach 2- i 4-portowych o zakresach częstotliwości pracy od 9 kHz do 4,5, 6,5 lub 9,0 GHz. Do jego flagowych parametrów należy bardzo szeroki zakres dynamiczny, wynoszący typowo 147 dB i krótki czas pomiaru, wynoszący zaledwie 3 ms dla pomiaru 201-punktowego z pełną kalibracją 2-portową. Warto zwrócić uwagę na duży 12-calowy wyświetlacz z ekranem dotykowym, zapewniający użytkownikowi komfortową obsługę graficznego interfejsu użytkownika (fot. 1). Bazuje on na sprawdzonych rozwiązaniach z analizatorów VNA firmy Keysight wcześniejszych rodzin ENA i PNA.

Wyzwania projektowe z punktu widzenia użytkownika

Z punktu widzenia użytkownika, dwiema najważniejszymi cechami mającymi wpływ na użyteczność analizatora są jego parametry analogowe ora z funkcjonalność. Obie te cechy mają znaczenie zarówno przy prostych, jak i skomplikowanych pomiarach.

Parametry analogowe decydują o dokładności pomiarowej, a więc o jakości otrzymywanych wyników. Dla przykładu, szeroki zakres dynamiczny pozwala na współpracę z szerszą gamą aplikacji i większą liczbą komponentów. Możliwość regulacji szerokości zakresu dynamicznego pozwala użytkownikowi balansować pomiędzy szybkością, dokładnością i sprawnością, stosownie do wymogów konkretnego zadania pomiarowego.

Funkcjonalność analizatora ma znaczenie zarówno przy pomiarach podstawowych, np. parametrów macierzy rozproszenia, jak też przy bardziej złożonych zadaniach, np. charakteryzacji mieszaczy. Graficzne interfejsy użytkownika zastosowane w niektórych analizatorach VNA obecnej generacji nie zapewniają płynnego, intuicyjnego przejścia przez poszczególne etapy procedury pomiarowej (źródło pobudzające, odpowiedź, kalibracja, konfiguracja kanałów, prezentacja przebiegów).

Jest to istotne dlatego, że może prowadzić do niepotrzebnej straty czasu. W laboratoriach badawczo-rozwojowych akumulowanie się czasochłonnych procedur pomiarowych może ostatecznie doprowadzić do opóźnień w harmonogramie, których konsekwencją będzie np. niedotrzymanie ustalonej daty wprowadzenia produktu na rynek.

Rozpatrując to zagadnienie bardziej fundamentalnie: ograniczona funkcjonalność może prowadzić do złych wyników pomiarów. Niesie to za sobą dwa skutki. Po pierwsze, złe wyniki pomiarów parametrów testowanego obiektu (DUT) mogą przejść niezauważone lub też mogą spowodować błędną identyfikację potencjalnych problemów, które w rzeczywistości nie występują. Po drugie, niepewne wyniki pomiaru mogą podważyć zaufanie użytkownika, co do ich dokładności i powtarzalności. Konsekwencją tego będzie strata czasu na ponowne sprawdzanie konfiguracji i ponowne wykonywanie pomiarów.

Projektowanie aparatury pod kątem zwiększenia funkcjonalności i dokładności pomiarów

Rys. 2. Analizator E5080A (wykres czerwony) zapewnia większą szerokość zakresu dynamicznego niż model E5071C (wykres szary)

Wielu użytkowników, szczególnie zainteresowanych zwiększeniem szybkości i dokładności pomiarów, sugerowało wbudowanie do analizatora VNA funkcji przewodnika, który byłby przez cały czas widoczny na ekranie. Jest to pomysł logiczny i możliwy do zrealizowania, biorąc pod uwagę dużą moc obliczeniową, dużą dostępną pamięć i wysokiej jakości wyświetlacze stosowane w analizatorach VNA nowej generacji. Pomógłby on również sprostać wyzwaniom czasowym i projektowym, przed którymi staje obecnie większość inżynierów.

Aby sprostać tym potrzebom, zespół projektantów z Keysight wprowadził modyfikacje zarówno w zakresie jakości parametrów technicznych, jak i funkcjonalności przyrządów. Jeśli chodzi o parametry, skupiono się na poprawieniu lub przynajmniej pozostawieniu dokładności na niezmienionym poziomie przy równoczesnym zwiększeniu szybkości pomiarowej analizatorów rodziny ENA. W porównaniu z popularnym modelem E5071C, nowy analizator E5080A zapewnia szerszy o 10 dB zakres dynamiczny, sięgający obecnie 147 dB (rys. 2).

Zwiększenie szerokości zakresu dynamicznego pozwoliło również na zwiększenie szybkości analizatora, ponieważ pomiary mogą być wykonywane przy szerszym paśmie p.cz. (IFBW), pozwalając na uzyskanie większej szybkości przemiatania. Dwa testy przeprowadzone w rzeczywistych systemach wykazały zwiększenie szybkości pomiarowej.

Pierwszy z nich, polegający na charakteryzacji filtru BTS, wykazał 10-krotne zwiększenie szybkości pomiarowej w przypadku modelu E5080A w porównaniu z E5071C. Głównym powodem tego jest możliwość osiągnięcia wymaganej szerokości zakresu dynamicznego (>110 dB) przy szerszym paśmie IFBW (10 vs. 1 kHz).

Fot. 3. Umieszczenie grup przycisków sprzętowych Instrument, Response i Stimulus tuż obok przycisków programowych ułatwia konfigurację systemu pomiarowego

W tym przypadku 10-krotnie szersze pasmo IFBW przełożyło się na 10-krotne skrócenie czasu pomiaru z 0,17 do 1,6 s - ponieważ czas pomiaru analogowego jest dominujący dla IFBW mniejszego lub równego 1 kHz. Pomiary przeprowadzono dla 801 punktów danych, pełnej dwuportowej kalibracji i maksymalnej mocy źródła dla każdego z modeli (+15 dBm w przypadku E5080A i +10 dBm dla E5071C).

Drugim przykładem jest testowanie dupleksera. Pomiar przeprowadzono z wykorzystaniem segmentowanej tabeli przemiatania zawierającej 1601 punktów, przy pełnej 3-portowej kalibracji i mocy wyjściowej źródła wynoszącej +5 dBm. Aby uzyskać wymaganą szerokość zakresu dynamicznego równą 80 dB, odpowiednie wartości IFBW wynosiły 300 kHz dla modelu E5080A i 70 kHz dla E5071C. Uzyskano tu skrócenie czasu pomiaru o około 1,8× (60 vs. 100 ms) dzięki zwiększonej szybkości pomiarowej E5080A i zwiększonej szerokości zakresu dynamicznego, pozwalającej na zastosowanie szerszego pasma IFBW.

Aby stworzyć podstawę dla nowej generacji analizatorów Keysight VNA, zespół projektowy opracował wspólną platformę pozwalającą na wykorzystanie najlepszych cech analizatorów z rodziny ENA i PNA. Dla przykładu, analizatory ENA zawierają obecnie oprogramowanie firmware oferujące wiele funkcji występujących wcześniej tylko w analizatorach PNA. Można tu wymienić Smart Cal Wizard i funkcję PMAR (power meter as receiver). Nowe analizatory ENA obsługują też wspólny zestaw komend SCPI, a w przyszłości będą obsługiwały aplikacje programowe PNA.

Przyjęto zasadę, że obsługa ma pozostać podobna do obsługi obecnych analizatorów ENA/PNA, a równocześnie intuicyjna i wygodna dla nowych użytkowników. W rezultacie powstał interfejs graficzny mogący być pomocny zarówno użytkownikom początkującym, którzy od czasu do czasu wykonują podstawowe lub bardziej złożone pomiary parametrów elementów i podsystemów w.cz., jak również użytkownikom doświadczonym, którzy wykonując okazjonalnie złożone pomiary systemów w.cz. niekiedy potrzebują przypomnieć sobie najważniejsze kroki i parametry przy konfiguracji systemu pomiarowego.

Łatwa konfiguracja systemu pomiarowego

Rys. 4. Pasek narzędziowy (po lewej stronie u góry) i rozwijane menu kontekstowe (z lewej strony na dole) ułatwiają konfigurację dzięki zapewnieniu bezpośredniego dostępu do najczęściej wykorzystywanych funkcji

Już krótki rzut oka na analizator E5080A pozwala dostrzec kilka kluczowych zalet nowej platformy i interfejsu graficznego. Od razu rzuca się w oczy duży, kolorowy wyświetlacz o przekątnej 12,1", zajmujący ponad połowę panelu przedniego. Na prawo od niego umieszczono zespół przycisków ułożonych w cztery grupy logiczne: Instrument, Response, Stimulus i Utility (fot. 3).

Kolejne fazy procedury pomiarowej przebiegają od strony prawej do lewej: począwszy od standardowych przycisków na panelu, poprzez aktywowane dotykowo przyciski konfiguracyjne na ekranie po przyciski dotykowe do konfiguracji wykresów oraz samych okien z wykresami. Zapewniając dostęp do funkcji w kilku prostych krokach, taki schemat obsługi pozwala użytkownikowi szybko i wygodnie skonfigurować kompletny system pomiarowy.

Na ekranie umieszczono nowy pasek narzędziowy i zestaw pól z rozwijanym menu kontekstowym, zapewniających bezpośredni dostęp do ważnych funkcji konfiguracyjnych (rys. 4). Dłuższe naciśnięcie odpowiedniego obszaru na ekranie powoduje rozwinięcie menu kontekstowego z polami wyboru, co eliminuje konieczność korzystania z przycisków konfiguracyjnych. Użytkownik może również zmieniać za pomocą ekranu dotykowego rozmieszczenie wykresów i okien pomiarowych.

W wielu przypadkach najlepszym sposobem na szybkie rozpoczęcie pomiaru jest wciśnięcie przycisku Setup w grupie Instrument. W wyniku tego aktywowane zostaje menu na ekranie dotykowym oferujące dwa pola wyboru: Sweep Setup i Quick Start.

Po wybraniu opcji Sweep Setup otwiera się okienko z menu dialogowym prezentującym pięć podstawowych parametrów pomiaru: częstotliwość początkową, częstotliwość końcową, moc, liczbę punktów pomiarowych i szerokość pasma IFBW. Przewodnik ten jest użyteczny dla użytkowników o różnym stopniu zaawansowania.

Rys. 5. Trzy zakładki w menu dialogowym Quick Start udostępniają szablony dla najczęściej wykonywanych pomiarów

Wybór opcji Quick Start daje większe możliwości, zapewniając dostęp do menu dialogowego z szablonami najczęściej wykonywanych pomiarów (rys. 5). Znajdują się tu trzy zakładki: S-parameters, Balanced i Other. Każda obejmuje zestaw pomiarów i udostępnia pola wyboru prowadzące użytkownika przez proces konfiguracyjny. Przykładowo, dostępne są konfiguracje do obliczania i wyświetlania wszystkich 9 parametrów macierzy rozproszenia dla elementu 3-portowego, wykonywania pomiarów typu single ended - balanced (z wieloma opcjami wyświetlania) oraz implementacji pomiarów w dziedzinie czasu.

Zakładka w menu Quick Start pozwala też użytkownikom na tworzenie własnych typów pomiarów. Za pomocą przycisków sprzętowych Trace, Channel i Display znajdujących się na przednim panelu przyrządu oraz przycisków dotykowych możliwe jest dodawanie i usuwanie wykresów, kanałów i okien. Ułatwia to tworzenie pełnych konfiguracji pomiarowych, a także - za pomocą przycisków z grupy Utility - przypisywanie ich do zakładki favorites, gdzie będą one dostępne przez pasek narzędziowy.

Podsumowanie

Analizator nowej generacji E5080A ENA oferuje trzy najważniejsze atrybuty: najlepsze osiągi wśród przyrządów tej klasy, nowoczesny interfejs graficzny z ekranem dotykowym oraz jednolitą platformę bazującą na analizatorach z rodziny PNA i ENA. Dla użytkowników oznacza to łatwiejszą konfigurację zarówno prostych, jak i skomplikowanych systemów pomiarowych oraz uzyskiwanie dokładnych wyników pomiarów w krótszym czasie.

Wszystkie wektorowe analizatory obwodów Keysight są projektowane w oparciu o wieloletnie doświadczenie firmy w zakresie charakteryzacji komponentów liniowych i nieliniowych. Analizatory serii ENA zapewniają dużą przepustowość, powtarzalność i niezawodność na liniach produkcyjnych, niezbędne do realizacj i dokładnych i niezawodnych stanowisk testowych. Z kolei w działach badawczo-rozwojowych ułatwiają prowadzenie pomiarów i pozwalają na uzyskanie wyników w krótszym czasie. Wszystko to prowadzi w rezultacie do zmniejszenia kosztów testowania.

AM Technologies
www.amt.pl