Trenden inom avancerade vektoriella nätverksmätningar går mot mätobjekt med fler än 4 portar. Framför allt smartphones och surfplattor driver denna utveckling.

Försäljningssiffrorna för smartphones och surfplattor med trådlös internetanslutning överträffar redan dem för traditionella mobiltelefoner och stationära PC. Ingångsmoduler för många frekvensband och komponenter för GPS, WLAN och Bluetooth är viktiga delar i dessa nya produkter. I takt med ökande antal integrerade komponenter och teknologier i en mobiltelefon ökar också antalet signalvägar. Därmed ökar också antalet portar där man behöver mäta på ingångsmodulerna, för att till exempel säkerställa dämpning eller för att göra en selektion i samband med tillverkningen. Vektoriell nätverksanalys med fler än 20 portar och i framtiden också fler än 30 portar är därför en nödvändighet.
Med en traditionell vektoriell nätverksanalysator (VNA) med fyra portar blir mätuppdraget väldigt omfattande då man först måste utvärdera vilka portar på testobjektet (DEU, Device Under Test) som man behöver mäta på samtidigt. Alla portar på testobjektet som inte är anslutna måste vara avslutade så att inga oönskade signaler påverkar mätresultatet. Dessutom måste den som utför mätningarna koppla in och koppla bort mätobjektet otaliga gånger för att kunna utföra mätningar på samtliga portar. Det inte bara ökar omfattningen av mätuppdraget utan ökar också väsentligt tiden för att utföra mätningarna. Lösningen på detta problem är att öka antalet portar på den VNA som används, så att det svarar mot antalet portar på mätobjektet.

Nätverksanalys med många portar
I det enklaste fallet går det att öka antalet portar på en nätverksanalysator med hjälp av externa omkopplare. Då räcker det emellertid inte med att bara koppla in en omkopplingsenhet. Dess hårdvara måste naturligtvis klara specifikationen för mätuppkopplingen. Dessutom måste omkopplingsförloppet vara synkroniserat med det verkliga mätförloppet hos nätverksanalysatorn. Det krävs således ett komplext styrprogram. Också kalibreringen av en mätuppkoppling med externa omkopplare är betydligt mera komplex än om det bara gäller en 2- eller 4-ports nätverksanalysator.
När man vill mäta samtliga S-parametrar på ett testobjekt måsta den externa omkopplingsenheten klara fullständig korskoppling, vilket betyder att vilken port som helst skall kunna mätas upp mot vilken annan port som helst. Att bygga upp något sådant blir mycket komplext och kostar mycket pengar.
Men det finns användbara kommersiella alternativ: Rohde & Schwarz erbjuder med sin externa kopplingsmatris R&S ZN-Z84 ett passande komplement till nätverksanalysatorn R&S ZNB.
I grundutförande har den sex mätportar. Beroende på vad man har för mätbehov går den att utöka i steg om sex portar upp till maximalt 24 mätportar. På så sätt kan en 4-portsmodell av R&S ZNB tillsammans med två stycken 24-portars kopplingsmatriser byggas ut till att hantera 48 mätportar. Därmed så är det möjligt att mäta alla 48×48 S-parametrar hos ett testobjekt.

Fig 1. Ett mätsystem för 48 portar bestående av en R&S ZNB8 och två R&S ZN-Z84 kopplingsmatriser.

Okomplicerad matrislösning
En stor fördel med denna lösning är att det är ett ”plug & play”-system. Alla funktioner som är nödvändiga för att styra och använda R&S ZN-Z84 finns redan inlagda i firmware i nätverksanalysatorn R&S ZNB. Kopplingsmatrisen kan anslutas till nätverksanalysatorn via USB, LAN eller det speciella gränssnittet Direct Control och identifieras automatiskt av denna. Därefter kan man använda portarna på kopplingsmatrisen på samma sätt som om det varit en vanlig 2- eller 4-ports VNA.

Fig 2. Här ser man den anslutna kopplingsmatrisen i firmware menyn på nätverksanalysatorn. Det syns tydligt vilka portar som är kopplade till VNA och vilka portar som är fritt tillgängliga för att använda. Exemplet här visar en 4×18 kopplingsmatris.

Kalibrering med hjälp av en automatisk flerports kalibreringsenhet är okomplicerad. Firmware i R&S ZNB känner igen denna så fort den ansluts via USB. I kalibreringsmenyn visas vilka portar på kalibreringsenheten som skall kopplas ihop med vilka portar på kopplingsmatrisen. Ju fler portar på kalibreringsenheten, dess då färre kalibreringssteg behövs. På så sätt sparar man tid och reducerar felkällorna. För närvarande finns det kalibreringsenheter med upp till åtta portar.


Fig 3. Översikt av en kalibrering av 12 portar med en 4-ports kalibreringsenhet. Man visar att det behövs fyra kalibreringssteg. I den undre bilden visas ett kalibreringssteg vid användning av en 8-ports kalibreringsenhet.

Goda HF-egenskaper och stor flexibilitet
Lösningen från Rohde & Schwarz erbjuder så stor flexibilitet som möjligt utan att göra avkall på de goda mätegenskaperna. Kopplingsmatrisen R&S ZN-Z84 är modulärt uppbyggd och finns med såväl två som fyra ingångsportar och med sex, 12, 18 eller 24 mätportar. Så den kan användas med 2- eller 4-portsmodeller av R&S ZNB, varvid en 4-portsmodell kan anslutas till upp till två kopplingsmatriser. På så sätt finner användaren alltid en optimal kombination för sin applikation.
Det är inte bara ett enkelt handhavande som är viktigt när det gäller flerportslösningar utan också goda HF-egenskaper. Vid sidan av god anpassning så är det framför allt dämpningen genom den använda kopplingsmatrisen som är viktig. Den påverkar den tillgängliga utgångsnivån, känsligheten och därmed brusnivån för mätningen. En låg dämpning är också viktig när det gäller tids- och temperaturstabilitet och påverkar på så sätt längden på kalibreringsintervallen. Hos R&S ZN-Z84 ligger dämpningen mellan 3 dB och 5 dB vid 2 GHz beroende på topologin i matrisen. Den höga 0,1 dB kompressionspunkten hos den elektroniska omkopplaren vid 20 dBm och 2 GHz gör det möjligt att också mäta på aktiva komponenter.
Om amplitudtåligheten och dynamiken vid användning av matrisen inte räcker till, finns möjligheten att använda en R&S ZN-Z84 tillsammans med en 4-ports R&S ZNB. Då finns ytterliga två mätportar tillgängliga för att mäta aktiva komponenter med utnivå på upp till 27 dBm eller mäta filter med upp till 140 dB dynamik.

Fig 4. Högflexibel lösning: Här visas en 2×24-ports matris som är ansluten till en 4-ports VNA. Därmed har användaren 26 mätportar till sitt förfogande. Naturligtvis finns också möjligheten att ansluta två matriser eller matris med annat antal portar.

Fullständig korskoppling
Inom produktion och utveckling söker man alltmer efter lösningar för att mäta på komponenter med fler än fyra portar med hjälp av en nätverksanalysator. Nätverksanalysatorn R&S ZNB tillsammans med kopplingsmatrisen R&S ZN-Z84 erbjuder här en optimal lösning.
Kopplingsmatrisen ökar antalet mätportar upp till 48 stycken och ger möjlighet till fullständig korskoppling. Tack vare den firmware som finns i nätverksanalysatorn är det lika lätt att konfigurera som vanliga 2- och 4-ports VNA. Med hjälp av flerports kalibreringsenheter med upp till 8 portar går det lätt att kalibrera systemen. De goda HF-egenskaperna med hög kompressionspunkt och låg dämpning i kopplingsmatriserna gör det möjligt att mäta med höga amplitudnivåer eller med hög dynamik.
Se även denna videolänk: http://www.youtube.com/watch?v=LI-plwk6P8U

Filed under: Matteknik