מבוא
ידוע כי ל-VNA טוב חשוב שיהיו ביצועי חומרה מעולים וממשק תוכנה קל לשימוש, עם יכולות שימושיות, שלאחר עיבוד (post processing). יש דגמים רבים בשוק, בעלי רמות ביצוע שונות; חלקם בעלי עלות נמוכה וביצועים בינוניים ואחרים בעלי ביצועים טובים שמתאימים לבדיקות במעבדה (lab grade).
מה מפריד בין שני הסוגים?
במאמר זה נתמקד ברכיבים המיוחדים ובשיקולי התכנון שנועדו למקסם ביצועים של VNA, גם באמצעות השוואה בין VNA’s מודרניים לכאלה שתוכננו במאה הקודמת.
מפרטים לביצועי VNA
לפני כניסה לדיון לגבי הרכיבים שעושים VNA טוב, נציץ במפרטי ביצועים חשובים של המכשיר.
אלה כוללים:
תחום תדר: מגדיר את תחום התדר עבור תוצאות הבדיקה המופקות על ידי המשתמש.
רזולוציית תדר: מדרגת התדר הקטנה ביותר שניתן לקבל מהמכשיר. זו כמובן תהיה המגבלה עבור כל הבדיקות.
דיוק המדידה: במידה מסוימת השורה התחתונה. מתייחס לאי וודאות במדידה של פאזה והספק
טווח הספק מוצא: רמות ההספק שניתן לקבל ביציאת הבדיקה. ישנם רכיבים (DUT – Device Under Test) שמגיבים באופן שונה כאשר הספק הכניסה משתנה; אלה יתוכננו לעבוד בטווח של הספקי כניסה או בהספק כניסה קבוע.
רזולוציית הספק: דיוק ורמת השליטה בהספק המוצא. רזולוציה טובה יותר תאפשר הגדרות מדויקות יותר של הספק המוצא.
עיוותי הרמוניה ו-Spurious ביציאה: כמות האותות הבלתי רצויים ביציאת הבדיקה. רמת עיוות נמוכה תאפשר תוצאות בדיקה מדויקות יותר, בעיקר כאשר בודקים עיוותים והרמוניות.
מהירות המדידה: מהירות מדידה, באופן טיפוסי עבור נקודת מדידה; לזה עשויה להיות השפעה גדולה על סה”כ זמן מחזור כאשר הגדרות הבדיקה ב-VNA גורמות לזמן סריקה ארוך.
Internal construction of a USB vna, illustartive of the degree of shielding and isolation needed for superior performance
רכיבי VNA בעל ביצועים יוצאי דופן
על הרבה מרכיבים להיבחר בחוכמה ולאחר אופטימיזציה קפדנית על מנת לתכנן VNA בעל ביצועים יוצאי דופן. נדון בכמה מהחשובים:
1. Directional Coupler
נתייחס תחילה למצמד הכיווני (Directional Coupler). ה-Coupler אחראי ליצירת אות ייחוס פרופורציוני לאות היציאה, על מנת שתוצאת המדידה תוצג במדויק, כיחס של הספק משודר או מוחזר Coupler טוב ינמיך את רצפת הרעש של ה-VNA, דבר שיאפשר תחום דינמי טוב יותר. Coupler יציב ישמור על המאפיינים שלו תחת שינויי טמפרטורה, דבר שמאפשר למשתמש לבצע כיול בתדירות נמוכה יותר ועדיין לשמור על הדיוקים בתוצאות המדידה.
בניית Coupler טוב מתחילה בבחירה מתוך מבחר של רכיבים טובים בעלי ביצועים יציבים בתחום התדר ובעלי ביצועי RF מעולים. לצד הרכיבים הטובים יש חשיבות גדולה מאד לסיכוך פנימי וחיצוני של ה -Coupler. סיכוך מעולה יקטין עד למינימום cross talk בין ערוצי RF שונים ובעיות EMI בין מודולים. כל זה יעזור ל-Coupler לתת יציאה נקייה שתהיה פחות מושפעת מהפרעות סביבה.
בנוסף למניעת ריבוי גלים אלקטרומגנטיים הסיכוך מייצר גם מסה טרמית שמייצבת טמפרטורות בתוך ה-Coupler. יציבות טרמית פנימית הינה קריטית לדיוק מכיוון שבמידה מסוימת, כל הרכיבים בתכנון יציגו תלות מסוימת בטמפרטורה.
2. MIXER
המיקסר, גם הוא רכיב חשוב מאד ב VNA. ב VNA’s מודרניים משתמשים במיקסר במקום בדוגם, שהיה נהוג ב VNA’s מדורות קודמים, בגלל התכנון הפשוט והעלות הנמוכה יחסית. מיקסר טוב תורם להשגת רצפת רעש נמוכה ועוזר להקטנת spurious בלתי רצויים ו Trace Noise למינימום. כדי לייצר מיקסר טוב חשוב להשתמש בסיכוך מעולה מעבר לשימוש ברכיבים מצוינים, זאת על מנת להקטין למינימום את ה cross talk, מה שמאפשר ייצור מכשיר בעל תחום דינמי גבוה במיוחד. חשוב להשתמש ב- LO משותף ועקבי עבור כל המיקסרים לצורך שיפור ה trace noise של המדידה וכן על מנת להקטין את רעש הפאזה.
3. SOURCE
לא רק שמודול מקור התדר חיוני ב-VNA, הוא גם אחד הגורמים המשפיעים ביותר על עלות ה-VNA. בעיקרון, מקור התדר יכול להיות פנימי או חיצוני. היתרון של מקור תדר חיצוני הוא בניקיון האות המשופר שלו, וזאת כי הוא מסוכך באופן כמעט מושלם ומבודד לגמרי ממודולים אחרים. גם לשימוש במקור תדר פנימי מספר יתרונות, ביניהם מהירות סריקה גבוהה, גודל קטן יחסית (מאפשר פתרון מדידה קומפקטי), עלות נמוכה יותר וכמובן חיבורים יותר פשוטים בינו לבין מודולים אחרים במכשיר. תכנון נכון של מקור תדר פנימי, והסיכוך שלו יאפשר אות מספיק נקי ללא החסרונות של מקור חיצוני.
ALC הינו פרמטר חשוב מאד של מקור תדר ב-VNA, שמאפשר שינוי הספק מוצא. במכשירים ישנים נעשה בד”כ שימוש בכניסה אנאלוגית ל-ALC בעוד שמכשירים מודרניים משתמשים אך ורק בבקרה דיגיטלית. בקרה דיגיטלית מאפשרת ל-VNA’s מודרניים יכולת ייצור רמות הספק מאד מדויקות וכן לספק טווח גדול יותר של הגדרות הספק מוצא. לרוב המכשירים המודרניים יש גם מפרט power flatness הדוק מאד, אשר מאפשר עקביות של הספקי מוצא בתלות בתדר. רמה גבוהה של power flatness ניתן להשיג ע”י שימוש ב-ALC דיגיטלי שמתקן כל הזמן בהתאם לכיול שמבוצע ע”י היצרן.
block diagram of a 2-port USB VNA
4. מנחת
ברוב ה-VNA’s המודרניים נעשה שימוש במנחת משתנה בין ה-Ref. Coupler לבין ה-Test Coupler, דבר שמאפשר טווח הספק גבוה יותר בהשוואה למעגלים מבוססי ALC בלבד. בנוסף לטווח ההספק הגבוה יותר הוספת מנחת משתנה מאפשרת התאמה טובה ליציאת הבדיקה. המנחת יקטין את ההפרש בין תיאום מקור ההספק לבין תיאום מקור היחס וכך ייווצר תיאום טוב יותר של היציאה. שיפור מעניין נוסף שמביא איתו המנחת מתייחס לרמת הרעש של האותות. המנחת מאפשר אות גבוה בערוץ ה-reference גם כאשר נדרש רק אות נמוך ביציאת הבדיקה, מה שמאפשר אות דל רעש ביציאת הבדיקה.
5. עיבוד דיגיטלי
לאחר שרכיבי ה-RF והמודולים למיניהם עשו את עבודתם, האותות מגיעים לחלק הדיגיטלי של ה-VNA לצורך דגימה ועיבוד. הרמה הגבוהה של אינטגרציה וסנכרון בין הרכיבים ב-VNA דורשת יחידת עיבוד דיגיטלית ייעודית ברמה מאד גבוהה. הצורך הזה הוא קריטי עבור אופטימיזציה של ביצועי המערכת.
מהירות ודיוק המעבדים הדיגיטליים של ה-VNA הינם גורמים קריטיים עבור הביצועים של ה-VNA, ומשפיעים על מפרטים כגון רצפת רעש, מהירות מדידה מרבית, ועיכובים במדידה (Measurement Latency). על מנת להשיג את רמת העיבוד הדיגיטלית הנדרשת, להפקת מידע מדידה גולמי (raw measurement data) במהירות גבוהה, VNA’s מודרניים משלבים בתוכם FPGA’s מתקדמים, שבבי DSP או שניהם.
על מידע המדידה הגולמי (raw measurement data) להיות גם משודר/מועבר במהירות למעבד היישום הפנימי, או החיצוני במקרה של VNA מודולרי. לדוגמא, ממשקים מהירים ובעלי latency נמוך כגון Ethernet ו-USB משמשים לעיתים קרובות ב-VNA’s מודרניים להעברת תוצאות גולמיות אל שכבת היישום (application layer).
A modern VNA must have an extensive and versatile command set for automation over its programming interfaces
6. תוכנה וממשקים
תם ולא נשלם, ל-VNA מודרני יש ממשקי משתמש ותכנות עם תכונה של Post Processing הנחוצה עבור ניתוח התוצאות ובדיקות אוטומטיות. ממשק המשתמש הגרפי יהיה באופן טיפוסי אפליקציה עצמאית שרצה על מערכת הפעלה מודרנית שתספק למשתמש יתרונות של פלטפורמה יציבה, קלות העברת מידע לאפליקציות אחרות באותו מכשיר, וממשקי בדיקות אוטומטיות מובנים להתקשרות עם מכשירים אחרים ורשתות חיצוניות.
בנוסף לממשקי המשתמש ל-VNA טוב יהיה ממשק אחד או יותר שיאפשרו אוטומציה של מדידות והעברת מידע של תוצאות בדיקה. תכונות אלה קריטיות בעיקר בסביבות ייצור, היכן שאותן בדיקות חוזרות ונשנות, בה עקביות הינה מפתח לניהול איכות. ממשקים כגון SCPI, VXI-11, COM/DCOM ו-TCP Socket הן אופציות פופולריות כממשקי אוטומטיזציה.
סיכום
בניית VNA מצוין מתחילה בבחירה של אבני בניין מעולות, ביניהן רכיבי RF כמו מיקסרים, מנחתים, ומקורות תדר. תכנון מעולה ויוצא דופן ישלב את אלה ביחד עם יחידות פונקציונליות כגון Directional Couplers, RF sources ומנועי עיבוד דיגיטליים עם ביצועים מעולים. סיכום של כל אלה, תוך שילוב עם ממשקים עשירי תכונות, יעשה VNA ברמת מעבדה מאד גבוהה.
המאמר באדיבות חברת Copper Mountain Technologies האמריקאית, המפתחת ומייצרת מכשירי PC Driven VNA ונציגתה בישראל חברת MTI Summit Electronics.