האצת המדידות עד פי 500 באמצעות Vector Network Analyzer

לא משנה אם מהנדס מתכנן, מפתח או בודק רכיב חדש, הוא ישתמש לעתים קרובות ב-network analyzer ונתח ספקטרום (spectrum analyzer – SA) כדי להבין לעומק את ההתקן הנבדק

(device under test – DUT).
vector network analyzer () מודד ומחשב תגובות אינפורמטיביות כגון S-paprameters ,gain compression וסיפרת רעש. נתח ספקטרום מספק תובנות נוספות לגבי הנוכחות של אותות הקשורים מבחינה הרמונית, אותות שווא (spurious) לא הרמוניים ועוד.
במהלך הפעלה רגילה לפתרון בעיות, הצורך לחבר, לנתק ולחבר שוב לעתים תכופות את ה-DUT ל-VNA או ל-SA יהפוך עד מהרה לטורח ובזבוז זמן. פתרון אפשרי הוא לשלב את שתי היכולות במכשיר אחד.
כמובן, הרעיון של ביצוע ניתוח ספקטרום בסיסי באמצעות VNA אינו חדש: יכולת זו קיימת במידה מסוימת במספר נתחים מהדור הקודם. היום, דיגיטייזרים, מעבדי אותות דיגיטליים ויחידות עיבוד מרכזי (CPU) מהירים יותר מאפשרים ליישם יכולת SA שהיא מהירה מספיק כדי להאיץ מדידות חיוניות – ולעתים מעייפות – כגון חיפושי spur.
האצת מהירות המדידה
בשנים האחרונות מכשירי VNA הפכו למהירים יותר במידה משמעותית בכל תחומי המדידה החיוניים: התאמה, רווח/הפסד, סיפרת רעש, two-tone IMD, דליפה, רווח המרה, דחיסה, עיכוב ועוד. הדגמים המתקדמים ביותר היום מצמצמים את זמן הבדיקה לכל מכשיר פי 10 במדידות אלקטרוניות בטחוניות, פי 6 במדידות ממירי לוויין ויותר מפי 3 במדידות של מכשירי תשתית אלחוטית (איור 1).
הטכנולוגיות בבסיסם של שיפורי ביצועים אלה היו הבסיס ההכרחי ליכולותיו של נתח הספקטרום. ב-Keysight, המטרה שלנו היתה למצוא דרך חדשה וטובה יותר לספק יכולת ניתוח ספקטרום ב-VNA מבלי לשנות את ארכיטקטורת הליבה של המכשיר. כל זה הוביל אל אופציה 090 עבור Vector network analyzers מסדרת PNA של החברה (איור 2).
יכולת זו מטפלת בבעיה של חיפוש spur בארבע דרכים. ראשית, היא מספקת חיפושים מהירים בטווחי תדרים רחבים, עד ל-67GHz, וזמני הבדיקה מהירים פי 10 עד 500 לעומת נתח ספקטרום עצמאי כשמחפשים spurs ברמה בינונית. שנית, ניתוח ספקטרום רב-ערוצי מסונכרן עם מחוללי אותות בסריקה פנימית, ומספק תובנות נוספות לגבי סיבה ותוצאה. שלישית, היא מספקת מדידות ספקטרום קבועות שמנצלות את היתרון של דיוק נוסף בכיול ה-VNA וטכניקות של ביטול הטמעה. בנוסף לכך, הוא תואם ליכולת של חיבור יחיד ומדידות מרובות
(single – connection, multiple – measurement, ) של PNA-X microwave network analyzer. כשפתרונות אלה בהישג יד, למהנדסים יש דרכים חדשות להגיע לתובנות מעמיקות יותר לגבי ביצועי ההתקן.

מינוף הארכיטקטורה הקיימת
תרשים המלבנים המוכח של microwave- VNA הוא אחת הסיבות לכך שהמכשיר מספק תוצאות מדידה מצוינות. זאת גם הסיבה שצוות התכנון שלנו רצה להשאיר את תרשים המלבנים של המקלט ללא שינוי תוך הוספת יכולת ניתוח ספקטרום משמעותית (איור 3).
למקלט, כפי שהוא מיושם בסדרת PNA, יש רוחב פס של 38MHz והוא משתמש במסנן anti-aliasing רחב-פס. לממיר האנלוגי לדיגיטלי (ADC) במהירות 100MSa/s יש רוחב פס תיאורטי מקסימלי של 50MHz.
המפתח להצלחה היה התוספת של זרם עיבוד נתונים חדש שמושך נתונים דיגיטליים מהפלט של ה-ADC של המקלט. בדומה לנתחי אותות מתקדמים אחרים, התהליך יוצר רשומת זמן בגודל מוגבל של נתונים, מחיל פונקציית חלונות ולאחר מכן מחשב התמרת פורייה מהירה (fast Fourier transform, ) כדי להפיק את ספקטרום התדרים של האות הנכנס (איור 4).
כפי שמוצג באיור, מספר שלבים נוספים מבטיחים תצוגת ספקטרום מדויקת ושימושית: חישוב ממוצע של וידאו כדי להפחית רעש מעקב, כיול כדי להבטיח דיוק של האמפליטודה, דחיית תמונה כדי להסיר חפצים לא רצויים ואיתור שיא כדי לשפר את דיוק התדר.
הערה אחת: שמירה על הרמה הצפויה של ביצועי VNA מנעה הוספה של מסנן הבחירה מראש או “בורר מראש” המשמש בנתחי ספקטרום עצמאיים כדי לחסום הרמוניות לא רצויות או ערבוב תוצרים (כלומר תמונות). בתוך זרימת הנתונים, הפתרון היה פיתוח של בורר רב עוצמה המבוסס על תוכנה שהוא חלק מיכולת הנתח ספקטרום. מבחינת הבדיקה, שימוש ביכולת זו מבטל למעשה תמונות. בנוסף לכך, ניתן להגדיר את הנתח לבצע מדידות הרמוניות בערוץ אחד או יותר באמצעות מנחת (attenuator) מקלט ורוחב פס רזולוציה צר כדי להפחית את רצפת הרעש המוצגת.
פתרון הבעיה של
חיפוש spur
spurs הם אותות לא רצויים ולא הרמוניים שגורמים להפרעה או לאותות שקריים, ומפחיתים את הטווח הדינמי של ה-DUT. התהליך של חיפוש spur כולל שני אתגרים: זמן ומורכבות. התהליך של בדיקת ביצוע spurious מצריך זמן רב, במיוחד בעת חיפוש אחר אותות ברמה נמוכה בטווח תדרים רחב. אפיון spurs בטווח ההפעלה של מיקסרים ומכשירי המרת תדרים טיפוסיים נוטה להיות מעייף ומורכב.
כתרחיש לדוגמה, נניח שמופיע spike במדידת המרה-רווח שבוצעה באמצעות VNA. בעת שימוש בנתח ספקטרום טיפוסי, צפייה רגילה בספקטרום הפלט לא ממש עוזרת. הגעה לפרטים הנחוצים דורשת נתח אותות או מחולל מעקב (tracking generator) אחד או יותר, שיכולים להיות מובנים או יחידות חיצוניות שנתח הספקטרום יכול לשלוט בהן.
ביצוע מדידת הספקטרום מצריך מספר שלבים. תחילה, יש לנתק את ה-DUT
מה-VNA. לאחר מכן, יש לחבר מחולל אותות לקלט ה-DUT ואת נתח הספקטרום לפלט שלו. לסיום, יש להגדיר את נתח הספקטרום ואת מחולל האותות למדוד על פני טווח התדרים שבו ה-spur הופיע במעקב המרה-רווח. ייתכן שיהיה צורך במדידות על פני טווח רחב אחד או יותר ולאחריהן מספר מדידות שיבוצעו בטווח קצר יותר, אחת בכל פעם.
תהליך זה פשוט ומהיר יותר עם יכולת נתח הספקטרום ב-PNA. ל-VNA ול-DUT יש שלושה חיבורים – LO ,RF ו-IF – המאפשרים השלמה מלאה של מדידות VNA. בנוסף לכך, יכולת נתח ספקטרום מוסיפה ניתוח ספקטרום בכל היציאות של ה-DUT: כניסת RF, יציאת RF קלט LO ופלט IF.
היכולת לשלוט במחוללי אותות מרובים בכל ערוץ של נתח הספקטרום מספקת תובנות נוספות לגבי התנהגות ההתקן. לדוגמה, spurs חוצים שמשפיעים על מדידות פלט קבוע נצפים בקלות על ידי סריקת מקורות ה-RF וה-LO בפסי התדרים שלהם.
באמצעות החיבורים הקיימים ל-DUT, מכשיר PNA או PNA-X יכול לבצע מדידות רבות בו-זמנית של רשת וספקטרום. באמצעות יכולת ה-SCMM ב-PNA-X, קבוצה יחידה של חיבורים היא כל מה שצריך כדי למדוד ספקטרומים של קלט, ספקטרומים של פלט, דחיסת רווח, רווח המרה, סיפרת רעש, two-tone IMD ועוד (איור 5).
אם מופיעה חריגה במעקב VNA, המשתמש יכול להציב סמן בנקודה זו להשתמש בפונקציה “סמן ל-SA” כדי להפעיל מדידת ספקטרום שמופיעה בחלון חדש במסך הנתח. יתרון נוסף, האפשרות להשתמש בסמנים גם כדי לבצע מדידות band-power ו-Noise-power.
מדידות In-fixture ו-on-wafer נהנות מהיתרון של כיול VNA וביטול הטמעה, שמתקנים שגיאות של תגובת מקלט וגם מסירים השפעות של כבלים ומכשירים. השיפור שמתקבל בדיוק המדידה מאפשר להשיג שולי בדיקה צרים יותר ומפרטי התקן הדוקים יותר.
בקו הייצור, יכולת זו מאפשרת להסיר מטריצת מתגים ונתח ספקטרום עצמאי ממערכת הבדיקה. כל זה מטפל בצורך החשוב, ההולך ומתגבר, להפחתת הגודל והמורכבות של מערכות בדיקה לאפיון רכיבים ועוזר למפתחי מערכות לאזן בין זמן הבדיקה וכיסוי הבדיקה.

השגת מצוינות ללא מתחרים
אספקת מדידות של נתח ספקטרום בתוך VNA אינה רעיון חדש. עם זאת, הטכנולוגיה הזמינה היום – ADC, CPU, DSP – מאפשרת ליישם מדידות אלה במהירות שבזכותה הן שימושיות באמת למהנדסים שמתכננים ובודקים רכיבים מתקדמים.
כאשר הם מאפיינים התקנים פעילים, השילוב הנכון של מהירות וביצועים מספק יתרון תחרותי. במחקר ופיתוח, מתקבלת רמה של שלמות מדידה שעוזרת למפתחים להפוך הבנה מעמיקה לתכנונים טובים יותר. בקו הייצור, מובטחות תפוקה ויכולת חזרה הנחוצות להפיכת תכנונים מעולים למוצרים תחרותיים.
עם יכולת ה-SA בסדרת PNA של Keysight, היכולת לבצע מדידות מרובות סימולטניות של רשת וספקטרום מאפשרת למהנדסים אלה לקבל תובנות מעמיקות יותר לגבי ה-DUT ובסופו של דבר, להשיג מצוינות ללא מתחרים במדידות ובתכנונים שלהם.

Keysight השיקה לאחרונה את
ה-Vector network analyzer מרובה הפורטים M9485A VNA, המותאם לתקן PXIe ומתאפיין בביצועים הגבוהים ביותר בענף. הנתח מיועד לייצור בהיקפים גדולים של רכיבים אלחוטיים של מודולי front-end, מתגים ומסננים אשר משולבים במכשירי טלפון ניידים ובתחנות בסיס.
ארכיטקטורת ה-multiport האמיתית מספקת מהירות מדידה מיטבית, שגבוהה בעד 39 אחוזים מן המהירות המאפיינת מוצרים מתחרים, וזאת תוך שמירה על טווח דינמי גבוה. כיסוי התדרים שנע בין 1MHz ל-9GHz מתאים לתכנוני רכיבים עתידיים. הלקוחות יכולים לקבוע במדויק את תצורת הפורטים הרצויה להם, וכך לחסוך כסף ולאפשר הגדרה מחדש עם השתנות תנאי הבדיקה.
במהלך ייצור המוני נודעת חשיבות קריטית למהירות ולעתים קרובות קיימת מגבלה של מקום. יכולת ה-multiport האמיתית של המוצר, התומכת בעד 24 פורטים, מאפשרת לכל המקלטים להסתנכרן עם מקור משותף לצורך מדידה בו-זמנית של כל ה-S-parameters. בעת מדידה של מכשירים מרובי מקלטים, תצורה זו מפחיתה באופן דרמטי את מהירות הסריקה לעומת פתרון המבוסס על מטריצת מיתוג. יכולות אלה מאיצות את הליך הבדיקה על-ידי שיפור הייעילות והתפוקה, תוך מזעור השטח הנדרש.
ה-PXIe VNA מרובה הפורטים החדש של Keysight תומך במצב היסט תדר (frequency offset), ניתוח time domain וכן מדידות N-port מכוילות המבוססות על מדע המדידה והכיול המדויקים שעליהם מושתתים נתחי הרשת האמינים מסוג PNA/ENA. פלטפורמת ה-PXI מבטיחה חיסכון משמעותי במקום, בהשוואה למכשירים שולחניים בעלי מספר פורטים זהה.