NO20100972A1 - Forenklet reflektometer for vektor nettverksanalysator - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører generelt utstyr for å måle elektriske parametre. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen reflektometer som måler forholdet mellom reflektert bølge og innfallende bølge på elektroniske komponenter når komponentene utsettes for stimuli samt vektor nettverksanalysatorer der slike reflektometre anvendes. Konkret vedrører oppfinnelsen reflektometer og vektor nettverksanalysator ifølge de vedheftede kravene.

Oppfinnelsens område

Reflektometer er vesentlige komponenter i vektor nettverksanalysatorer (VNA). Et reflektometer måler tradisjonelt forholdet mellom reflektert bølge og innfallende bølge på elektriske komponenter ved å utsette dem for et stimuli. Dette forhold beskrives som refleksjonsfaktoren. På denne måten vil slike målinger kunne gi en fullstendig beskrivelse av de elektriske parametre til et måleobjekt. En VNA inneholder typisk flere reflektometer, ett for hver port som VNA har, slik at måleobjekter med flere porter også kan karakteriseres fullstendig. I tillegg benytter VNA innebygde kalibreringsalgoritmer som fjerner alle systematiske feil.

Teknikkens stand

Med VNA som ble tatt i bruk på begynnelsen av 70-tallet kunne alle systematiske feil kalibreres bort gjennom en omfattende bruk av kalibreringsstandarder med både kjente og delvis ukjente elektriske parametre som beskrevet av Andrej Rumiantsev og Nick Ridler i "VNA Calibration" fra IEEE Microwave Magazine juni 2008.

En tradisjonell 2-port VNA er et måleinstrument som typisk kan bestå av 2 reflektometre som da totalt kan inneholde 4 målemottakere. Det er også mulig at disse to reflektometer deler noen felles komponenter. For eksempel kan de dele signalkilde og innfallende bølge mottaker. En slik VNA sies da å ha 3 målemottakere der en av dem kalles for referansemottaker. Et eksempel på en eksisterende VNA er gitt i US patent 6920402 B2. Der utnyttes en referansemottaker og der fokuseres det på multiport VNA inkludert differensiell VNA for eksempel ved at responsmottakerne utnyttes på flere porter når antall porter er stort og større enn 2. Et annet eksempel er US patent 0290880 A1.

Blant problemene ved løsninger ifølge teknikkens stand er at det kreves en innfallende bølge mottaker eller referansemottaker med tilhørende kobler. Dette medfører ulemper blant annet i form av kompleksitet, mengde utstyr, størrelse og pris.

Oppsummering av oppfinnelsen

En vesentlig egenskap ved foreliggende oppfinnelse er at innfallende bølge mottaker eller referansemottaker gjøres overflødig og derfor fjernes. Dette blir mulig dersom målt fase på responsmottaker (7) refereres til fase på signalet fra kilden (1) ved at de utveksler et tidssignal på synkroniseringslinjen (6). Dermed kan alle innfallende bølge mottakere eller referansemottakeren tas bort sammen med tilhørende kobler. Innfallende bølge som kommer fra kilden (1) kan da betraktes som en konstant vektor eller et signal med konstant fase og konstant amplitude. Dette signal er normalt ukjent, men det har ingen betydning fordi reflektometermålinger brukt for VNA som for eksempel 10- eller 12-term SOLT kalibrering er relative målinger. Dette gjelder også for selvkalibrerende teknikker som for eksempel TRL som kan benytte 7-term kalibrering og kalibreringsstandarder med noen ukjente parametre. Denne oppfinnelsen muliggjør derved forenklinger i hardware.

Foreliggende oppfinnelse vil påvirke hvordan mange av framtidens reflektometer for bruk i VNA vil bli bygget. For eksempel vil det bli mulig å inkludere en 2-port VNA i små håndholdte oscilloscop som allerede i dag har 2 målekanaler inkludert. Brukere av slike små håndholdte oscilloscop vil da oppleve en serie nye tjenester som før bare var tilgjengelige i større stasjonære VNA. De nye tjenestene vil inkludere meget nøyaktige impedansmålinger, filtermålinger, forsterkermålinger og tidsdomene reflektometermålinger for å nevne de viktigste applikasjonene. Lavkost oscilloskop med VNA kapabilitet vil da kunne tilby en målenøyaktighet som overgår det som i dag er mulig i oscilloskop fordi systematisk feil elimineres. Måleresultatene vil kunne bli presentert som S-parametre i frekvensplanet som ofte er det vanligste for RF ingeniører, men resultatene vil også kunne bli presentert i tidsplanet for eksempel som en impulsrespons eller sprangrespons som kan være fordelaktig for andre.

Med denne oppfinnelse vil det også bli mulig å tilby til markedet VNA løsninger integrert sammen med standard PC utrustning. Kalibrering og presentasjon av måledata skjer i en PC mens reflektometrene plasseres på et data akkvisisjonskort.

Det vil være spesielt nyttig og enkelt med denne oppfinnelse å kunne realisere en full 2-port VNA som utnytter SOLT, Quick-SOLT og robust-SOLT. Et slikt instrument med båndbredde opp til noen GHz vil kunne få en meget bred anvendelighet innenfor audio anvendelser, radio anvendelser, RF anvendelser og linjetesting for å nevne noen. I tillegg vil det for en fagperson være mulig å benytte den samme oppfinnelse på enda høyere frekvenser, på flere måleporter og sammen med selvkalibrerende metoder som for eksempel TRL for å nevne en av de mest populære.

En målsetning med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et reflektometer som er forenklet i forhold til løsninger ifølge teknikkens stand.

Videre målsetninger med foreliggende oppfinnelse er å oppnå løsninger som er mer kompakte, lettere og enklere å integrere i andre løsninger.

Videre vil løsningene kunne tilby forbedret funksjonalitet og større kapasitet sett i forhold til kostnader, størrelse og kompleksitet.

Enda videre målsetninger er å forbedre løsninger der oppfinnelsen inngår ved for eksempel å gjøre disse mer kosteffektive etc.

En ytterligere målsetning er å forenkle vektor nettverksanalysatorløsninger for måling på resiproke måleobjekter ved at det ikke er nødvendig å synkronisere reflektometrene for å måle absolutt fase eller forsinkelse mellom måleportene.

Nok en målsetning er å forbedre VNA løsninger ved å bruke samme komponent i flere reflektometre.

Nok en fordel er det at målenøyaktigheten til reflektometrene vil kunne økes ved å benytte isolatorer for å isolere de potensielt ulineære komponentene kilder og svitsjer fra måleportene. Slike isolatorer vil både stabilisere impedansen og samtidig hindre reflekterte signaler fra porten (4) å danne ulineære signalprodukter i svitsj og kilde. Av gode isolatorer i denne sammenheng kan nevnes dempeledd, sirkulatorer og retningskoblere.

I tillegg vil ytterligere nøyaktighet oppnås ved å filtrere bort mulige foldingsprodukter.

Oppfinnelsen tillater også forenklinger i hardware ved å gjenbruke samme kilde på flere porter ved bruk av en svitsj.

Et sentralt aspekt ved oppfinnelsen er et reflektometer for vektor nettverksanalysator som omfatter signalkilde, impedans, kobler, kabel, måleport, og responsmottaker. Reflektometeret er anordnet slik at et signal fra signalkilden i hovedsak kan flyte gjennom impedansen, gjennom kobleren, videre gjennom kabelen og ut av måleporten, og at reflekterte signaler fra måleporten ledes via kobleren til responsmottakeren. Reflektometeret har en klokkesynkroniseringslinje som er koplet mellom responsmottakeren og kilden, og responsmottakeren og kilden synkroniseres ved bruk av klokkesynkroniseringslinjen.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen er at reflektometer omfatter et filter mellom kilden og responsmottakeren for å filtrere bort frekvenser som kan gi opphav til foldningsprodukter.

Et ytterligere anntet aspekt er at reflektometer omfatter en isolator mellom kilden og kobleren for å bidra til at reflektometeret presenteres for en mest mulig konstant impedans og for å stabilisere kildesignalet. Denne isolatoren kan være et dempeledd, en sirkulator eller en retningskopler.

Et annet sentralt aspekt ved oppfinnelsen er en vektor nettverksanalysator som omfatter 2 eller flere reflektometre som beskrevet ovenfor. En slik vektor nettverksanalysator kan ha kilder som enten ikke sender samtidig eller med ortogonale signaler eller på forskjellige frekvenser, slik at signalene kan separeres av responsmottakerne.

Et videre aspekt ved vektor nettverksanalysatoren er at minst 2 og i mange tilfeller alle, reflektometrene synkroniseres med hverandre ved bruk av klokkesynkroniseringslinjen mellom dem.

Nok et aspekt er en vektor nettverksanalysator der reflektometrene ikke synkroniseres med hverandre ved bruk av klokkesynkroniseringslinjen mellom dem, men der vektor nettverksanalysatoren allikevel kan måle absolutt fase forutsatt at måleobjektet som koples til portene er resiprokt.

Vektor nettverksanalysatoren kan omfatte en svitsj som er anordnet slik at minst 2 reflektometre kan dele kilde.

Kortfattet presentasjon av figurene

Figur 1 presenterer eksempel på error termer

Figur 2 viser et reflektometer ifølge oppfinnelsen

Figur 3 presenterer en dobbel reflektometer VNA

Figur 4 presenterer en dobbel reflektometer VNA med utvidet synkroniseringslinje Figur 5 presenterer en dobbel reflektometer VNA med kombinert dempeledd/filter

Figur 6 presenterer en dobbel reflektometer VNA med svitsj

Figur 7 presenterer en dobbel reflektometer VNA med svitsj og dempeledd

Figur 8 presenterer en dobbel reflektometer VNA med svitsj, dempeledd og filter

Figur 9 presenterer en multiport VNA

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I det videre beskrives utførelsesformer ifølge oppfinnelsen i detalj med referanse til figurene. Før denne detaljerte beskrivelse, vil vi imidlertid gi en mer grunnleggende introduksjon som bidrar til å lette forståelsen av det som kommer videre.

Et reflektometer måler refleksjonsfaktoren som forholdet mellom reflektert signal b og innfallende bølge a:

Om refleksjonsfaktorene måles på alle måleporter når alle portene etter tur eksiteres med en innfallende bølge kan alle elektriske egenskaper ved en hvilket som helst multiport elektrisk krets måles. Ingen reflektometer kan gjøre dette alene uten systematiske feil. De systematiske feil kan betraktes som konstante avvik k både i amplitude og fase. Et reflektometer vil derfor i praksis måle:

der k2 er målefeil på reflektert signal, tø er målefeil på innfallende bølge og ki er resulterende målefeil på refleksjonsfaktoren. Kalibreringsstandarder og kalibreringsalgoritmer benyttes for å eliminere disse systematiske feil. Målt respons b+k2i responsmottaker (7) inneholder informasjon om måleobjektet enten det er en kjent kalibreringsstandard eller en ukjent krets. Målt signal i innfallende bølge mottaker a+k3 vil ikke inneholde informasjon om måleobjektet om dette signalet er isolert fra måleporten. Om denne isoleringen utføres ved å benytte en power splitter måles ofte et referansesignal. Om isoleringen derimot utføres ved hjelp av en retningskobler måles det som ofte kalles innfallende bølge. Med 100% isolering blir målingen av innfallende bølge eller referansesignal en konstant:

Denne konstant vil da være upåvirket av hva som kobles til måleporten (4). Om fasen til mottakerne i forhold til kilden i tillegg stabiliseres med synkroniseringslinjen (6) blir alle konstantene k statiske vektorer upåvirket av tiden. Vi kan da skrive:

Dette uttrykker at refleksjonsfaktoren r med systematiske målefeil tøblir en funksjon av reflektert signal b og konstantene k2og tø.

Det er riktignok umulig å oppnå 100% isolasjon på alle og spesielt høye frekvenser for måling av tø, men siden moderne kalibreringsalgortimer fjerner alle konstante systematiske feil blir den faktisk verdi på tø irrelevant for resultatet. Dermed er det ikke nødvendig å realisere den ideelle mottakeren for å måle tø. I stedet kan vi sette tø=1 når denne type reflektometer brukes sammen med kjente kalibreringsalgoritmer for å realisere en VNA.

Det som er vesentlig er at målt respons i responsmottaker (7) blir referert til fase og amplitude på innfallende bølge. Det enkleste er å holde amplituden på innfallende bølge så konstant som mulig for eksempel ved å benytte termisk stabiliserte kilder. Dermed gjenstår det å etablere en god referanse til fasen på innfallende bølge. Dette kan gjøres ved å koble synkroniseringslinjen (6) mellom kilden (1) til responsmottaker (7). Denne synkroniseringslinjen vil da kunne synkronisere alle responsmottakerne med alle kildene enten ved å overføre et triggesignal eller ved å overføre et annet periodisk signal som tidsmessig markerer fase eller start på referansesignalet eller innfallende bølge.

De moderne kalibreringsalgoritmene som eliminerer alle systematiske målefeil vil også eliminere alle konstante avvik på innfallende bølge fra kilden. Det eneste krav som gjelder er at kildens amplitude og fase er konstant. Hva amplituden og fasen faktisk er trenger ikke å måles og er vanskelig å måle uten feil også. Amplituden blir konstant så lenge kilden er stabil og opererer under stabil temperatur. Fasen blir også konstant under stabil temperatur når den refereres til målt respons i responsmottakeren ved hjelp av synkroniseringslinjen (6).

Standard error term metodologi kan benyttes av en fagperson for å utøve denne oppfinnelse. Likevel presenteres i Figur 1 delvis nye error termer der de karakteristiske trekk ved denne oppfinnelse tydeligere kommer til uttrykk. Figur 1 viser et eksempel på error termer E for port nummer n i en VNA sammen med konstant kilde signal Knog målt reflektert bølge Bn. Legg merke til at error termene Ei og Es virker i motsatt retning av hva som er normalt sammenlignet med standard error termer for 10- eller 12-term SOLT kalibrering. Innfallende bølge an som kommer fra kilden (1) vil kunne bli modifisert av innfallende bølge error term E|. Mange forskjellige metoder benyttes for å kalibrere en VNA, og mange forskjellige metoder kan også benyttes sammen med denne oppfinnelse. Det vanlige er å måle på kjente eller delvis kjente kalibreringsstandarder for deretter å løse ut et sett av error termer E. En fagperson på området vil vite å benytte disse forskjellige metodene. For eksempel kan 10- eller 12-term kalibrering benyttes eller så kan 7-term kalibrering også benyttes. Legg merke til at det i Figur 1 fremkommer 4 komplekse ukjente parametre som inkluderer 3 error termer og en ukjent kildespenning Kn. For 10- eller 12-term SOLT kalibrering benyttes kilder som i praksis alltid vil bli litt forskjellige og det måles alltid relativt til de litt forskjellige kildespennigene. Men for 2-port 7-term kalibrering eller også for multi-port kalibrering kan det bare måles relativt til den ene av kildene for eksempel ved at kildespenning Ki normaliseres til 1 og de øvrige løses ut som en av de ukjente i tillegg til error termene. Følgelig må 4n-1 ukjente parametre løses ut ved kalibrering av en n-port VNA. Minst 7 målinger må utføres for å løse disse 7 parametre. Ved bruk av Quick-SOLT vil man som kjent gjøre 4 målinger ved bruk av den ene THRU standarden og 3 målinger ved bruk av SHORT, OPEN og LOAD standarden koblet til for eksempel bare den ene porten. Ved bruk av selvkalibrerende metoder som for eksempel TRL innføres flere ukjente fordi standardene har ukjente parametre. I disse tilfellene må flere målinger utføres før de ukjente kan løses ut.

I Figur 2 er det vist et reflektometer. Dette reflektometer benytter en responsmottaker (7) som måler det reflekterte signal fra porten (4) ved hjelp av kobleren (3). Responsmottakeren og kilden (1) er synkronisert med hverandre ved hjelp av et tidssignal på synkroniseringslinjen (6). Dette tidssignal kan for eksempel være et periodisk triggesignal eller klokkesignal som markerer starten på eller fasen av det signal som sendes ut fra kilden (1). Impedansen (8) kan fysisk sett være en del av kilden eller også del av andre komponenter som kan grense til kilden. Det er også fysisk sett mulig at impedansen (8) består av flere mindre impedanser der noen er tett integrert med kilden og andre ikke.

I Figur 3 er 2 reflektometre satt sammen til en dobbel reflektometer VNA. Det er ingen synkroniseringslinje mellom disse to reflektometrene. De opererer derfor med uavhengige klokkekilder som kan ha ulik fase. Likevel kan denne VNA måle absolutt fase når måleobjektet som kobles til de to portene (4) er resiprok. Kildene (1) i hvert reflektometer må sende sine signaler slik at alle responsmottakerne kan separere signalene som kommer fra de to kildene. Dette gjøres normalt ved å la de to kildene ikke sende samtidig, men etter hverandre i tid. Det er imidlertid mulig og noen ganger fordelaktig å la de to kildene sende samtidige men på ortogonale koder eller på forskjellige frekvenser.

I Figur 4 er 2 reflektometre satt sammen til en dobbel reflektometer VNA. Synkroniseringslinjen (6) er her utvidet slik at de to mottakerne kan måle synkront I forhold til de to kildene (1). Kildene i hvert reflektometer må sende sine signaler slik at de to responsmottakerne (7) kan separere signalene som kommer fra hver av de to kildene. Dette gjøres normalt ved å la de to kildene ikke sende samtidig, men etter hverandre i tid. Det er imidlertid mulig og noen ganger fordelaktig å la de to kildene sende samtidige men på ortogonale koder eller på forskjellige frekvenser.

I Figur 5 er 2 reflektometre satt sammen til en dobbel reflektometer VNA. Synkroniseringslinjen (6) er her utvidet slik at de to mottakerne kan måle synkront I forhold til de to kildene (1). Kildene i hvert reflektometer må sende sine signaler slik at de to responsmottakerne kan separere signalene som kommer fra hver av de to kildene. Dette gjøres normalt ved å la de to kildene ikke sende samtidig, men etter hverandre i tid. Det er imidlertid mulig og noen ganger fordelaktig for eksempel ved måling på ulineære forsterkere å la de to kildene sende samtidige men på ortogonale koder eller forskjellige frekvenser. En kombinert isolator og filter (13) sørger for at den impedans som presenteres til kobleren (3) blir mest mulig konstant uansett om kilden (1) er aktiv eller passiv. Dette medfører også at innfallende bølge error term Ei ikke endrer verdi i forhold til om kilden er aktiv eller passiv. I tillegg reduseres muligheten for at det dannes ulineære produkter i kildene. Samtidig blir det her filtrert bort uønskede og typisk høye frekvenser som kan danne foldingsprodukter i responsmottakerne (7). Dette er spesielt nyttig om kilden er digital og bredbåndet.

I Figur 6 er 2 reflektometre satt sammen til en dobbel reflektometer VNA. Svitsjen (10) sørger for at en mest mulig stabil impedans presenteres reflektometrene uansett hvilken vei signalet fra kilden (1) kobles. Ved hjelp av svitsjen (10) deler de to reflektometrene kilde (1).

I Figur 7 er 2 reflektometre satt sammen til en dobbel reflektometer VNA. Svitsjen (10) sørger for at en mest mulig stabil impedans presenteres reflektometrene uansett hvor signalet fra kilden (1) kobles. Ved hjelp av svitsjen (10) deler de to reflektometrene kilde (1). For å ytterligere sørge for at reflektometrene presenteres en mest mulig konstant impedans er det satt inn to isolatorer (11) i kretsen. Disse reduserer også dannelsen av ulineære signalprodukter i de potensielt ulineære komponentene svitsje og kilde.

I Figur 8 er 2 reflektometre satt sammen til en dobbel reflektometer VNA. Svitsjen (10) sørger for at en mest mulig stabil impedans presenteres reflektometrene uansett hvor signalet fra kilden (1) kobles. Ved hjelp av svitsjen (10) deler de to reflektometrene kilde (1). For å ytterligere sørge for at reflektometrene presenteres en mest mulig konstant impedans er det satt inn to isolatorer (11) i kretsen. Kilden (1) kan generere forskjellige typer signaler. Noen ganger kan enkle digitale kilder generere frekvenser som kan gi opphav til foldingsprodukter i mottakerne (7). For å undertrykke slike foldingsprodukter kan utombånds frekvenser filtreres bort med et filter (12).

Figur 9 viser n reflektometer satt sammen til å danne en n-port VNA. Et felles eksitasjonssignal genereres av kilde (1) og en felles klokkereferanse kan distribueres langs (6). Svitsjen (10) sørger for at en mest mulig stabil impedans presenteres reflektometrene uansett hvor signalet fra kilden (1) kobles. I tillegg er det satt inn isolatorer (11) for å stabilisere impedansen ytterligere og for å hindre dannelsen av ulineære signalprodukter. Kilden (1) kan generere forskjellige typer signaler. Noen ganger kan enkle digitale kilder generere frekvenser som kan gi opphav til foldingsprodukter i mottakerne (7). For å undertrykke slike foldingsprodukter kan utombånds frekvenser filtreres bort med et filter (12).

Claims (9)

1. Reflektometer for vektor nettverksanalysator omfattende signalkilde (1), impedans (8), kobler (3), kabel (9), måleport (4), og responsmottaker (7), der reflektometeret er anordnet slik at et signal fra signalkilden (1) i hovedsak kan flyte gjennom impedansen (8), gjennom kobleren (3), videre gjennom kabelen (9) og ut av måleporten (4), og at reflekterte signaler fra måleporten (4) ledes via kobleren (3) til responsmottakeren (7), og der nevnte reflektometer erkarakterisert vedat en klokkesynkroniseringslinje (6) er koplet mellom responsmottakeren (7) og kilden (1), og der responsmottakeren (7) og kilden (1) synkroniseres ved bruk av nevnte klokkesynkroniseringslinje (6).

2. Reflektometer ifølge krav 1, videre omfattende et filter (12) anordnet mellom kilden (1) og responsmottakeren (7) for å filtrere bort frekvenser som kan gi opphav til foldningsprodukter.

3. Reflektometer ifølge krav 1 eller 2, videre omfattende en isolator (11) anordnet mellom kilden (1) og kobleren (3) for å bidra til at reflektometeret presenteres for en mest mulig konstant impedans og for å stabilisere kildesignalet.

4. Reflektometer ifølge krav 3, der isolatoren (11) utgjøres av et dempeledd, en sirkulator eller en retningskopler.

5. Vektor nettverksanalysator, der vektor nettverksanalysatoren omfatter 2 eller flere reflektometre ifølge et av kravene ovenfor.

6. Vektor nettverksanalysator ifølge krav 5, der kildene (1) enten ikke sender samtidig eller med ortogonale signaler eller på forskjellige frekvenser, slik at signalene kan separeres av responsmottakerne (7).

7. Vektor nettverksanalysator ifølge et av kravene 5 til 6, der minst 2 reflektometre synkroniseres med hverandre ved bruk av klokkesynkroniseringslinjen (6) mellom dem.

8. Vektor nettverksanalysator ifølge krav 6, der reflektometrene ikke synkroniseres med hverandre ved bruk av klokkesynkroniseringslinjen (6) mellom dem, men der vektor nettverksanalysatoren allikevel kan måle absolutt fase forutsatt at måleobjektet som koples til portene (4) er resiprokt.

9. Vektor nettverksanalysator ifølge et av kravene 5 til 8, omfattende en svitsj (10), der svitsjen (10) er anordnet slik at minst 2 reflektometre kan dele kilde (1).