Alex Goloschokin, Copper
תחי רשתות וקטוריים (VNAs) נמצאים בשימוש נרחב בסביבות מחקר, ייצור ושירותים. המכשירים הללו מכילים מקורות אותות (stimulus) ומקלטים עם ממיר תדרים אחד או יותר. Copper Mountain Technologies מייצרת מספר דגמי VNA כולל Planar 304/1 VNA עם טווח תדרים של 100 קילוהרץ עד 3.2 גיגה-הרץ, ו-Planar 804/1 VNA עם טווח תדרים של 100 קילוהרץ עד 8.0 גיגה-הרץ.
במקרים מסוימים, מקלט של VNA יכול לשמש למטרות של ניתוח ספקטרום מפושט, העשוי לכלול בין היתר פרמטרים כגון זיהוי של עוררות עצמית (self-excitation), קביעת הספק האות והדרגה ההרמונית או סטיית ספקטרום מספקטרום ייחוס מצופה.
ההבדל העיקרי בין מקלט VNA ונתח ספקטרום (SA) קלאסי הוא שלמקלט ה-VNA יש פחות ניחות (attenuation) של היענויות השווא (spurious responses) או ה-spurs שלו עצמו, ובמיוחד תוצרי הערבול של המערבל (מיקסר) הראשון.
כדי להגביר את היציבות של השבח (gain) של המרת המערבל הראשון, ולהפחית את תלותו בהספק LO, המערבל הראשון של מקלט VNA מופעל בנקודה בה ה-LO קרוב לרוויה. התוצאה היא ש-harmonics של תדרי LO הינם ברמה גבוהה יותר מזו שניתן למצוא במקלט SA. מכיוון שהתדר של ה-IF של מקלט ה-VNA אינו מאוד גבוה בדרך כלל, והוא נמוך משמעותית בתדר מטווח תדרי המחי (sweep), תוצרי העיוותים הללו יכולים להימצא בטווח התדרים של ה-VNA.
באופן כללי, תדר הפלט של המערבל הינו
כאשר S ו-G הם … -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, …
כאשר foutput נמצא בתוך טווח התדרים של IF, רכיב זה יוגבר ויוצג. כאשר מודדים את ה-LO העליון, התדר המוצג הוא
עבור Planar 304/1, fIF = 10.7MHz.
עבור Planar 804/1, fIF = 5.037MHz.
תרשים 1* מציג את מסך ה-Planar 804/1 VNA במהלך ניתוח של אות שנשלח לערוץ (port) ב-100 מגהרץ עם רמת כניסה של
3dBm וניחות הרמוני שני של 80dB בטווח התדרים שמ-1 מגהרץ עד 201 מגהרץ. הספק היציאה של הדחיפה (stimulus) של פתחה 1 נקבע על 0dBm, כך ש-S21 מתאים להספק הנמדד ב-dBm. כדי להפחית פלטים המאופיינים ב-spurs, מותאם ל-ערוץ 1 סיים (terminal) של 50 אוהם.
טווח התדרים של המדידה רחב הרבה יותר מטווח התדרים של ה-IF, וזו הסיבה שכל מוצר (בסיסי והרמוני) מיוצג על ידי שני קווים ספקטראליים: ישיר ותמונה. מכיוון שבדרך כלל משתמשים במערבלים מאוזנים, רמת האות המוצג משמעותית ב-harmonics ה-LO האי זוגי. האות המוצג ב-harmonic השלישי יכול להגיע עד 10dB יחסית לאות הבסיסי. (טבלה 1)
מספר נקודות המחי (sweep) קובע את הרזולוציה של הספקטרום ותלוי ברצועת מסנן ה-IF, טווח התדרים של המדידה ואי הוודאות של המדידה.
רצועת מסנן ה-IF נקבעת ברמה של 3dB. היסט התדר של אות הקלט (שנמדד מתדר המרכז של המסנן ב0.3 של רצועת המסנן) מתאים להפחתה בשבח של 1dB. כך למשל, אם טווח התדרים של הניתוח הוא 200 מגהרץ, טווח התדרים של מסנן ה-IF הוא 30 קילוהרץ ואי הוודאות הרצויה של המדידה עקב עיוות התדרים של המסנן היא 1dB, ומספר נקודות המחי (sweep) צריך להיקבע על הערך 200/(0.6*0.03)=11111.
תרשים 1 מציג מספר גבוה הרבה יותר של נקודות מחי (10,0001 נקודות תצוגה) כדי להשיג דיוק גבוה יותר ב-LO harmonics. הפרמטרים הללו שנבחרו מביאים לזמן מחי (sweep) של 12 שניות.
תרשים 2. אות של 3 גיגה-הרץ וה-harmonics שלו. טווח התדרים של המדידה – 7.9GHz תרשים 2 מציג את הספקטרום של אות ב-3 גיגה-הרץ עם רמה של 2dBm ו-harmonic שני של 25dB. בדוגמה זו הרזולוציה של המסך וההדפסה אינן מספיקות כדי להציג בנפרד את התוצר הישיר ותוצר התמונה. תרשימים 3 ו-4 מציגים את הספקטרומים של אות QPSK של 32 מגהרץ עם תדר נושא של 1 גיגה-הרץ (טווח תדרים של 984 עד 1016 מגהרץ ברמה של 6dB) אשר נותח באמצעות Planar 804/1 VNA. עם כוונון ה-LO בין 979 עד 989 מגהרץ, האות מתקבל ב-LO הנמוך יותר (fIF = fsignal – fLO) וטווח התדרים המוצג הוא 974 עד 984 מגהרץ.
במהלך כוונון נוסף של LO מ-989 עד 1011 מגהרץ, האות מתקבל גם ב-LO התחתון וגם ב-LO העליון, וטווח התדרים המוצג הוא 984 עד 1006 מגהרץ. במהלך כוונון LO נוסף מ-1011 עד 1021 מגהרץ, האות מתקבל ב-LO העליון (fIF = fLO – fsignal) וטווח התדרים המוצג הוא 1006 עד 1016 מגהרץ.
במהלך השלב האמצעי של המדידה, כאשר מתקבלים תדרי הערבול העליון והתחתון כאחד, אות הקלט הדומה לרעש משולב בצורה לא רציפה בגלאי, דבר המוביל לרמה מוצגת אשר גבוהה ב-3dB לערך מזו הנמדדת מ-974 עד 984 מגהרץ. תרשים 4 מדגיש את שלב ה-3dB הזה במרכז הספקטרום של האות הנמדד.
תרשימים 5 ו-6 מציגים את הספקטרומים של אות OFDM של 7.6 מגהרץ עם תדרים נושאים של 3 גיגה-הרץ (תרשים 5) ו-1 גיגה-הרץ (תרשים 6), אשר נותחו באמצעות Planar 304/1 VNA. תדר התמונה של 21.4 מגהרץ מאפשר הצגה נפרדת של ערבול תדר עליון ותחתון.
תרשימים 7 ו-8 מציגים את הספקטרומים של אות טלוויזיה אנלוגי עם תדר נושא של 855.25 מגהרץ אשר נותחו באמצעות Planar 304/1 VNA. תדר התמונה של 21.4 מגהרץ מאפשר הצגה נפרדת של ערבול תדר עליון ותחתון, וזו הסיבה שהספקטרום מוצג ללא עיוותים – אך פעמיים. טווח התדרים בן ה-500 קילוהרץ של הניתוח, ורצועת מסנן ה-IF של 1 קילוהרץ בתרשים 8 מספקים הצגה טובה של harmonics הפולס של סנכרון הקו עם קצב חזרה של 15.625 קילוהרץ ומשך זמן של 12.5 מיקרו שנייה. פרץ (burst) התדר הנושא מתאים לחפיפה של אות הווידאו הפעיל הרציף והפולסים של סנכרון הקו.
הבעיה של ניחות (attenuation) נמוך של תוצרי הערבול עשויה להפוך לתועלת של הרחבת טווח התדרים של הניתוח הספקטראלי מעבר לטווח התדרים של ה-VNA עצמו באמצעות המערבל הראשון הפועל בתדר של Harmonic ה-LO השלישי. קל להבין את האותות המוצגים כאשר נמדדים אותות הקלט של harmonic ושל רצועת תדרים צרה. האינדיקציה לקליטת האות ב-harmonic השלישי היא הצגה נפרדת של תדרי ערבול ישיר ותמונה (2/3)fIF, בהשוואה ל-2fIF עבור קליטת האות של ה-harmonic הראשון. תדר האות הנכנס (אות הקלט) שווה fsignal = 3fdisp.up + 2fIF (עבור ה-LO העליון) או fsignal = 3fdisp.low + 4fIF (עבור ה-LO התחתון). יש לציין כי הרחבת טווח תדרים שכזו מובילה לאדווה (ripple) משמעותית של התצוגה של הספק האות הנכנס.
לדוגמה, ב-Planar 804/1 VNA הקליטה של אות בן 13 גיגה-הרץ מובילה להפחתה בהספק המוצג ב-27dB בהשוואה להספק המוצג עבור אות של 8 גיגה-הרץ כאשר משתמשים ב-harmonic ה-LO הראשון. הפחתה זו מוגדרת באמצעות המעבר ל-harmonic ה-LO השלישי, פגיעה בביצועי המערבל בתדרים גבוהים יותר, הפחתה בהגברת הקלט ושבח המרה (conversion gain) של מעגל הקלט עם מצמד כיווני (directional coupler).
לכן אנו יכולים להסיק כי VNAs יכולים לשמש לניתוח ספקטרום לצרכי הערכה של אותות מסוימים.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת GIDIY
