Векторный анализатор цепей: принцип работы
Векторные анализаторы – весьма серьёзные приборы, которые позволяют определять различные параметры электрических цепей. Данное оборудование находит широкое применение в разных отраслях промышленности, производства и строительства. Специалисты интернет-магазина Rohde&Schwarz решили подробно и максимально ясно рассказать, как работает антенный анализатор и для каких именно задач может применяться.
Для этого каналы прибора подключают на входные и выходные контакты ящика. Далее на вход четырехполюсника отправляют сгенерированные гармонические сигналы, после чего изучают данные на обоих каналах и оценивают, что именно было получено с выхода. При этом происходит отражение доли импульсов, называемое S11. Оставшаяся доля подходит к выходному контакту, что формирует S12. Затем двухканальный векторный анализатор цепей проводит анализ обоих показателей, с учетом амплитуд и фаз.
После этого каналы подключают к противоположным контактам четырехполюсника, т. е. генерируемые импульсы подаются уже на выходной порт ящика. Отраженную долю гармонических сигналов, поступающих к выходному контакту прибора, называют S22, а импульсы, пришедшие на входной порт оборудования, – S21.
Этот простой пример показывает принцип прохождения через четырехполюсник сигналов с конкретным частотным значением. Но современные векторные анализаторы генерируют и отправляют на исследуемые объекты импульсы в широком частотном диапазоне. Благодаря этому обеспечивается возможность построения частотно-зависимых графиков (амплитудно-частотных, фазо-частотных) по различным характеристикам.
Подытоживая вышесказанное, можно определить следующий принцип работы двухканальных векторных анализаторов: прибор посылает на вход объекта гармонические сигналы разных частот, получают изменённые импульсы и оценивают значения на всех контактах. На основе полученных показателей происходит построение частотно-зависимых характеристик.
Учитывая данную особенность, высокий спрос сегодня имеет упрощенный прибор – одноканальный антенный анализатор. Такие устройства позволяют выставлять конкретные значения частоты, на которой становится возможным определение следующих характеристик: актив- и реактив-сопротивления, КСВ (учитывается напряжение), амплитуд, фаз отражённых импульсов (значение S11). Также при помощи одноканального анализатора проводят анализ входной ёмкости, индуктивности электроцепей. Все эти характеристики отображаются в виде частотно-зависимого графика.
В нашем примере с кабелем при определённых частотных значениях наблюдаются резкие обвалы. Аналогичный вид имеет график КСВ. Из-за чего происходят эти провалы? По сути, кабель считается длинным проводом. Импульсы, поступающие на такой проводник, отражаются от свободного края и возвращаются на вход одноканального анализатора. Но при попадании на частотный уровень, при котором волна равна четырёхкратной длине проводника, мы получаем чёткую стоячую волну. В свободном конце наблюдается максимальное значение напряжения, в месте соединения проводника с анализатором фиксируется почти нулевой показатель. Именно тут и происходит обвал, отображаемый на графиках частотно-зависимых характеристик.
Но откуда появляются другие провалы? В зависимости от длины, на одном кабеле могут помещаться сразу несколько четвертей волны конкретной резонансной частоты, соответствующие её нечётным гармоникам. В подобной ситуации наблюдается несколько минимумов отражённого напряжения. Если же кабель помещает чётное количество четвертей, то на графиках отображаются максимальные значения отражённых импульсов по напряжению.
С помощью этих показателей и графиков удаётся согласовывать антенное оборудование с источниками импульсов.
Возьмём другой пример. Качественная, отлично согласованная дипольная антенна подключена к векторному анализатору без использования проводника. Графическая частотно-зависимая характеристика подтверждает чёткое соответствие антенны показателю частоты резонанса и идеальную согласованность с источником. После этого подключаем антенну к анализатору с помощью провода. Новый график показывает несоответствие антенного оборудования точкам согласованности. То есть на аналогичных частотах вместо обвала мы получаем отражённый сигнал с максимальным параметром S11. Причиной этого является восприятие кабеля единым целым с антенной. В точке их соединения наблюдается минимальное напряжение + максимальный ток, однако при длине проводника, равном нечётному числу четвертей волн, в зоне подсоединения анализатора фиксируется минимальный ток + максимальное напряжение. Поэтому графически вместо обвала S11 отражается пик параметра при конкретной частоте. Именно по этой причине при выборе антенного оборудования стоячих волн нужно учитывать размер отрезков используемых кабелей. По сути, для облегчения этой задачи и нужны одноканальные векторные анализаторы. Отметим, что в случае с антеннами бегущих волн подобные проблемы отсутствуют, поскольку в них отражённые сигналы вообще не подразумеваются.
Кроме того, согласование антенн стоячих волн напрямую зависит от длины подсоединённых кабелей. Благодаря одноканальным анализаторам удаётся определить точки наилучших согласований.
Принцип работы векторного анализатора цепей
Рассмотрим простой пример. Представьте, что перед вами находится неизвестный ящик-четырехполюсник, имеющий с обеих сторон 2-контактные порты. Векторные анализаторы электрических цепей позволяют определять основные характеристики такого четырехполюсника, а также дать понимание, что находится внутри (электрические фильтры, куски кабелей конкретной длины, трансформаторы и т. д.).Для этого каналы прибора подключают на входные и выходные контакты ящика. Далее на вход четырехполюсника отправляют сгенерированные гармонические сигналы, после чего изучают данные на обоих каналах и оценивают, что именно было получено с выхода. При этом происходит отражение доли импульсов, называемое S11. Оставшаяся доля подходит к выходному контакту, что формирует S12. Затем двухканальный векторный анализатор цепей проводит анализ обоих показателей, с учетом амплитуд и фаз.
После этого каналы подключают к противоположным контактам четырехполюсника, т. е. генерируемые импульсы подаются уже на выходной порт ящика. Отраженную долю гармонических сигналов, поступающих к выходному контакту прибора, называют S22, а импульсы, пришедшие на входной порт оборудования, – S21.
Этот простой пример показывает принцип прохождения через четырехполюсник сигналов с конкретным частотным значением. Но современные векторные анализаторы генерируют и отправляют на исследуемые объекты импульсы в широком частотном диапазоне. Благодаря этому обеспечивается возможность построения частотно-зависимых графиков (амплитудно-частотных, фазо-частотных) по различным характеристикам.
Подытоживая вышесказанное, можно определить следующий принцип работы двухканальных векторных анализаторов: прибор посылает на вход объекта гармонические сигналы разных частот, получают изменённые импульсы и оценивают значения на всех контактах. На основе полученных показателей происходит построение частотно-зависимых характеристик.
Что можно измерить с помощью векторного анализатора цепей
Помимо вышеупомянутых параметров S, приборы помогают с определением значений сопротивлений (актив, реактив), коэффициентов стоячей волны КСВ (в виде частотно-зависимых характеристик), времени задержки импульсов и т. д. Но такие параметры помогают определять лишь двухканальные устройства. А что же делать, если требуется исследовать не четырехполюсники, а двухполюсники (к примеру, отрезок провода, который подключен к антенне)? При наличии лишь одного контакта двухканальные приборы станут избыточными, ведь возможно определять параметры лишь с одного входа оборудования.Учитывая данную особенность, высокий спрос сегодня имеет упрощенный прибор – одноканальный антенный анализатор. Такие устройства позволяют выставлять конкретные значения частоты, на которой становится возможным определение следующих характеристик: актив- и реактив-сопротивления, КСВ (учитывается напряжение), амплитуд, фаз отражённых импульсов (значение S11). Также при помощи одноканального анализатора проводят анализ входной ёмкости, индуктивности электроцепей. Все эти характеристики отображаются в виде частотно-зависимого графика.
Применение на практике
Представьте кусок кабеля, один конец которого подсоединён к векторному анализатору, а другой является свободным. При любом частотном значении с помощью прибора можно измерять показатель входного реактивного сопротивления электроцепи, КСВ и другие характеристики. А можно сделать более разумно и получить частотно-зависимые графики по конкретным параметрам (например, для S11).В нашем примере с кабелем при определённых частотных значениях наблюдаются резкие обвалы. Аналогичный вид имеет график КСВ. Из-за чего происходят эти провалы? По сути, кабель считается длинным проводом. Импульсы, поступающие на такой проводник, отражаются от свободного края и возвращаются на вход одноканального анализатора. Но при попадании на частотный уровень, при котором волна равна четырёхкратной длине проводника, мы получаем чёткую стоячую волну. В свободном конце наблюдается максимальное значение напряжения, в месте соединения проводника с анализатором фиксируется почти нулевой показатель. Именно тут и происходит обвал, отображаемый на графиках частотно-зависимых характеристик.
Но откуда появляются другие провалы? В зависимости от длины, на одном кабеле могут помещаться сразу несколько четвертей волны конкретной резонансной частоты, соответствующие её нечётным гармоникам. В подобной ситуации наблюдается несколько минимумов отражённого напряжения. Если же кабель помещает чётное количество четвертей, то на графиках отображаются максимальные значения отражённых импульсов по напряжению.
С помощью этих показателей и графиков удаётся согласовывать антенное оборудование с источниками импульсов.
Возьмём другой пример. Качественная, отлично согласованная дипольная антенна подключена к векторному анализатору без использования проводника. Графическая частотно-зависимая характеристика подтверждает чёткое соответствие антенны показателю частоты резонанса и идеальную согласованность с источником. После этого подключаем антенну к анализатору с помощью провода. Новый график показывает несоответствие антенного оборудования точкам согласованности. То есть на аналогичных частотах вместо обвала мы получаем отражённый сигнал с максимальным параметром S11. Причиной этого является восприятие кабеля единым целым с антенной. В точке их соединения наблюдается минимальное напряжение + максимальный ток, однако при длине проводника, равном нечётному числу четвертей волн, в зоне подсоединения анализатора фиксируется минимальный ток + максимальное напряжение. Поэтому графически вместо обвала S11 отражается пик параметра при конкретной частоте. Именно по этой причине при выборе антенного оборудования стоячих волн нужно учитывать размер отрезков используемых кабелей. По сути, для облегчения этой задачи и нужны одноканальные векторные анализаторы. Отметим, что в случае с антеннами бегущих волн подобные проблемы отсутствуют, поскольку в них отражённые сигналы вообще не подразумеваются.
Заключение
Подытожим вышесказанное.- С помощью современных векторных анализаторов облегчается определение S-параметров и некоторых других величин электрических цепей по каждому контакту многопортовых объектов.
- Одноканальные приборы используются для определения параметров электроцепей лишь на одном входе двухполюсников.
31.05.2024