Caractérisation d'un amplificateur avec la combinaison d'analyses réseau et spectrale

La caractérisation générale de dispositifs sous test complexes tels que des amplificateurs nécessite la mesure de plusieurs paramètres. Certains peuvent nécessiter plus qu'un seul appareil de test ou équipement coûteux. Grâce à sa polyvalence, le R&S®ZNL est une solution économique qui permet de caractériser divers dispositifs sous test à la fois via l'analyse réseau et l'analyse de spectre.

La mesure du facteur de bruit d'un amplificateur avec le R&S®ZNL (à l'arrière), un R&S®FS-SNS18 (à gauche) et un préamplificateur externe (à droite) alimenté par une alimentation programmable R&S®HMP2030 (à l'arrière à droite).
La mesure du facteur de bruit d'un amplificateur avec le R&S®ZNL (à l'arrière), un R&S®FS-SNS18 (à gauche) et un préamplificateur externe (à droite) alimenté par une alimentation programmable R&S®HMP2030 (à l'arrière à droite).
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Votre tâche

Les amplificateurs sont l'un des composants RF les plus courants en raison de leurs innombrables applications, mais ils sont également l'un des dispositifs sous test les plus complexes à mesurer. Pour une caractérisation plus complète, un amplificateur doit être testé afin de déterminer les paramètres S à une certaine fréquence ou puissance, et pour mesurer des paramètres tels que la distorsion harmonique, l'interception de troisième ordre (TOI), les points de compression et le facteur de bruit, tout cela ne serait pas possible avec un analyseur de réseaux vectoriels classique. En effet, un équipement de pointe est souvent utilisé pour tester de tels paramètres et des analyseurs de réseaux vectoriels d'entrée de gamme nécessitent généralement des configurations complexes et un post-traitement chronophage afin de rendre les données disponibles au bon format.

La commutation entre les stations de test afin d'utiliser un analyseur de réseaux vectoriels et un analyseur de spectre est également réalisable, cependant, ce n'est pas idéal lorsque le temps ou l'espace sont limités, car le dispositif sous test et possiblement l'analyseur de réseaux vectoriels, les câbles, un kit ou une unité de calibration ont besoin d'être déplacés d'un endroit à un autre.

Affichage des données avec le R&S®ZNL Multiview. Cette configuration est activée automatiquement lorsque plus d'un mode est activé en tant que canal supplémentaire et accessible en navigant vers l'onglet correspondant en haut de l'écran.
Affichage des données avec le R&S®ZNL Multiview. Cette configuration est activée automatiquement lorsque plus d'un mode est activé en tant que canal supplémentaire et accessible en navigant vers l'onglet correspondant en haut de l'écran.
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Solution Rohde & Schwarz

Les fonctions de mesure de l'analyseur de spectre, du générateur de signaux et du facteur de bruit (activées par les options R&S®ZNLx-B1, R&S®ZNL-K14 et R&S®ZNL-K30) permettent au R&S®ZNL de surpasser tous ces problèmes, tout en éliminant complètement la nécessité de déplacer la configuration de test entre les stations.

Le R&S®ZNL est un appareil de test portable multi-fonctionnel économique. Il se compose d'un analyseur de réseaux vectoriels, qui peut être mis à niveau avec un vrai appareil d'analyse de spectre (option R&S®ZNLx-B1) et fournit tous les outils et la performance nécessaires pour une caractérisation complète des amplificateurs avec un seul boîtier léger et compact, qui peut également être équipé d'un bloc batterie (option R&S®FPL1-B31) pour une mobilité optimale. La commutation entre les modes d'analyse réseau et d'analyse spectrale est très simple et le R&S®ZNL Multiview fournit aux utilisateurs tous les résultats des deux modes au sein d'une seule fenêtre pour un affichage pratique des données et un rapport complet.

Mesure de la magnitude des paramètres S au sein du mode d'analyse réseau, pour la mesure d'un amplificateur doté d'un gain minima de l'ordre de 15 dB au sein de la gamme de fréquence sélectionnée. Une sortie de puissance élevée de l'analyseur de réseaux vectoriels peut dépasser le récepteur de mesure.
Mesure de la magnitude des paramètres S au sein du mode d'analyse réseau, pour la mesure d'un amplificateur doté d'un gain minima de l'ordre de 15 dB au sein de la gamme de fréquence sélectionnée. Une sortie de puissance élevée de l'analyseur de réseaux vectoriels peut dépasser le récepteur de mesure.
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Application

Le gain de l'amplificateur, les pertes de retour d'entrée (ou VSWR) et les pertes de retour de sortie peuvent être mesurés précisément par le R&S®ZNL dans le mode d'analyse de réseaux vectoriels : définir simplement la gamme de fréquence, le nombre de points nécessaires pour le balayage, puis ajuster la gamme dynamique et la vitesse de mesure nécessaires, en sélectionnant la bande passante appropriée pour la mesure. Bien que les ports du R&S®ZNL puissent supporter +27 dBm en entrée sans endommagement, il est également important de ne pas soumettre l'amplificateur sous test et les récepteurs internes R&S®ZNL en compression (ou de les détruite). Par conséquent, la puissance de sortie du R&S®ZNL devra être sélectionnée avec précaution et les atténuateurs externes pris en compte où cela est nécessaire. Un système de messagerie informe d'utilisateur lorsque le récepteur est en surcharge, afin de garantir à la fois l'intégrité de la précision et de l'équipement. Pour une protection supplémentaire, le R&S®ZNL peut également disposer d'atténuateurs de pas de réception activés au port 1 (option R&S®ZNLx-B31) et au port 2 (option R&S®ZNLx-B32), la sortie de puissance peut être réglée jusqu'à –40 dBm (option R&S®ZNLx-B22).

Choix des mesures de l'analyseur de spectre. Ce menu est accessible en appuyant sur le bouton “Meas” lorsque vous êtes dans le mode d'analyse spectrale.
Choix des mesures de l'analyseur de spectre. Ce menu est accessible en appuyant sur le bouton “Meas” lorsque vous êtes dans le mode d'analyse spectrale.
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Enfin, une calibration totale sur deux ports est nécessaire avant que le test ne puisse démarrer. Le flux de travail de calibration au sein du menu guide les utilisateurs étape par étape à travers le processus, en commençant par la sélection de kits de calibration manuels ou d'unités de calibration automatiques Rohde & Schwarz, jusqu'au branchement et à la mesure des normes.

Le mode d'analyse spectrale est accessible dans le menu “Mode”, permettant de réaliser plusieurs mesures et d'afficher de manière pratique les informations pertinentes. Rien n'a besoin d'être changé physiquement dans la configuration de mesure.

Les mesures suivantes sont recommandées pour les amplificateurs :

  • Zéro span
  • Distorsion harmonique
  • Interception de troisième ordre

Le “Zéro span” peut mesurer les points de compression de l'amplificateur à une certaine fréquence lorsqu'un stimulus est appliqué à la même fréquence. Généralement, une source de signaux externe est nécessaire, cependant l'option R&S®ZNL-K14 élimine la nécessité d'un équipement supplémentaire avec un générateur de signaux à ondes entretenues (CW) indépendant. Les seuls réglages nécessaires pour le récepteur sont la sélection de la fréquence de test et une atténuation adaptée. Le générateur est alors configuré en saisissant la même fréquence de test et un niveau de signal assez faible pour garantir que le dispositif sous test ne soit pas en compression.

Afin d'identifier facilement les points de compression, le décalage de référence peut être réglé pour que le niveau du générateur corresponde à la sortie de l'amplificateur. Lorsque le niveau de la source de signaux à ondes entretenues est augmenté progressivement, seule la valeur affichée à l'écran a besoin d'être surveillée et l'utilisateur doit observer quand cette valeur passe sous une certaine quantité de dB de l'entrée sélectionnée.

Une mesure “Zéro Span” de l'amplificateur à 500 MHz. Avec un signal d'entrée à ondes entretenues de –20 dBm, le décalage de référence est sélectionné pour que le marqueur indique la même facteur que l'entrée du générateur (–20 dBm). Son niveau de signal est alors augmenté graduellement, jusqu'à ce que le marqueur indique exactement une différence de 1 dB par rapport au niveau du générateur, ainsi il peut être conclut que le point de compression –1 dB est à la puissance d'entrée de –10,5 dBm.
Une mesure “Zéro Span” de l'amplificateur à 500 MHz. Avec un signal d'entrée à ondes entretenues de –20 dBm, le décalage de référence est sélectionné pour que le marqueur indique la même facteur que l'entrée du générateur (–20 dBm). Son niveau de signal est alors augmenté graduellement, jusqu'à ce que le marqueur indique exactement une différence de 1 dB par rapport au niveau du générateur, ainsi il peut être conclut que le point de compression –1 dB est à la puissance d'entrée de –10,5 dBm.
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Les mêmes mesures peuvent également être réalisées dans le mode d'analyse réseau en normalisant le signal à ondes entretenues émis de manière amplifié lorsque le dispositif sous test est dans sa région linéaire (avant la compression –1 dB) et en observant la déviation de la courbe S21 par rapport à son zéro, lorsque la puissance du signal alimentant l'entrée de l'amplificateur est augmentée graduellement.

Le mode d'analyse spectral peut également tester la performance de distorsion harmonique du dispositif sous test. La sélection de “distorsion harmonique” dans le menu de mesure de l'analyse spectrale est la seule action requise pour afficher les valeurs harmoniques pertinentes relatives à la porteuse sélectionnée. Le système indiquera automatiquement les données relatives aux dix premières harmoniques, ainsi que la distorsion harmonique totale (THD). A la fois le nombre d'harmoniques et le temps de balayage peuvent être ajustés dans le menu approprié.

La sonde de puissance NRP18T prend en charge les mesures de –35 dBm à +20 dBm de DC à 18 GHz.
La sonde de puissance NRP18T prend en charge les mesures de –35 dBm à +20 dBm de DC à 18 GHz.
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L'intermodulation des produits peut également être facilement affichée en sélectionnant “interception de troisième ordre” dans le menu de mesure. Cependant, ce test spécifique nécessite que l'entrée du dispositif sous test soit un signal deux tons, ce qui peut être obtenu en fusionnant deux ondes entretenues différentes à travers un combinateur externe. L'un des signaux peut être délivré depuis le port 1 du R&S®ZNL grâce à l'option R&S®ZNL-K14 et le second pourrait être délivré par une source externe, comme un générateur de signaux ou un second analyseur de réseaux vectoriels. La configuration peut alors fournir des informations relatives à l'interception de troisième ordre (TOI) de l'amplificateur.

Les dix premières harmoniques d'une porteuse 500 MHz sont illustrées avec la mesure de “distorsion harmonique”. Le tableau récapitulatif des résultats liste leurs niveaux de fréquence et de puissance. Le générateur d'ondes entretenues peut être utilisé depuis la barre d'outils sur la gauche de l'écran.
Les dix premières harmoniques d'une porteuse 500 MHz sont illustrées avec la mesure de “distorsion harmonique". Le tableau récapitulatif des résultats liste leurs niveaux de fréquence et de puissance. Le générateur d'ondes entretenues peut être utilisé depuis la barre d'outils sur la gauche de l'écran.
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Si une gamme de mesure encore plus large ou une précision d'ordre métrologique était nécessaire pour les mesures de puissance dans le mode d'analyse spectrale, la prise en charge de toutes les sondes de puissance R&S®NRP peut être possible avec l'option R&S®FPL1-K9.

Puisque les câbles introduisent des pertes, le niveau de puissance du signal du R&S®ZNL à l'entrée du dispositif sous test peut être vérifié afin de déterminer les pertes. La différence entre l'entrée et la sortie peut être analysée dans le mode d'analyse spectrale en comparant le niveau de puissance du générateur et le niveau affiché par l'instrument lorsque le câble reliant l'entrée du dispositif sous test est connecté au port 2 ou à la place de la sonde de puissance. Le décalage du générateur peut être utilisé pour régler le signal d'entrée du dispositif sous test et compenser les pertes de câble. Une évaluation similaire est possible dans le mode d'analyse réseau en analysant les valeurs d'ondes a1 au port 1 et b1 au port 2.

D'autre part, le facteur de bruit de l'amplificateur (NF) peut être testé en sélectionnant “Facteur de bruit” dans le menu “Mode” du R&S®ZNL. Cette mesure nécessite que l'option R&S®ZNL-K30 soit active et qu'une source de bruit soit disponible avec un préamplificateur externe en fonction des besoins du dispositif sous test. L'option R&S®FPL1-B5 peut contrôler directement une source de bruit avec le R&S®ZNL. Pour des mesures de facteur de bruit simples très précises, une source de bruit intelligente R&S®FS-SNS est recommandée, laquelle est automatiquement identifiée par le système et ne nécessite aucun réglage de l'entrée par l'utilisateur.

Le générateur d'ondes entretenues d'un R&S®ZNL6 a été réglé à 1 GHz, et un autre générateur d'ondes entretenues à 1,2 GHz est alimenté depuis un générateur de signaux externe. Les deux tons sont fusionnés par un combinateur et proposés en tant qu'entrée pour l'amplificateur. Le spectre résultant est mesuré par le R&S®ZNL6 dans le mode “interception de troisième ordre”. Un spectrogramme peut également être activé.
Le générateur d'ondes entretenues d'un R&S®ZNL6 a été réglé à 1 GHz, et un autre générateur d'ondes entretenues à 1,2 GHz est alimenté depuis un générateur de signaux externe. Les deux tons sont fusionnés par un combinateur et proposés en tant qu'entrée pour l'amplificateur. Le spectre résultant est mesuré par le R&S®ZNL6 dans le mode “interception de troisième ordre". Un spectrogramme peut également être activé.
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Les réglages de mesure sont également simples : les utilisateurs ont uniquement besoin de sélectionner la gamme de fréquence et les points de balayage. Si nécessaire, ils peuvent également contrôler les temps de mesure et de réglage pour chaque point. La caractérisation d'un facteur de bruit d'un amplificateur nécessite la connexion d'un dispositif sous test différent. Le système est calibré en connectant la source de bruit au second port du R&S®ZNL avec un préamplificateur entre. Lorsque l'étape de calibration est terminée, le dispositif sous test est inséré entre la source de bruit et le préamplificateur (voir la photo en page 1), puis mesuré. Tous les modèles R&S®FS-SNS peuvent également prendre en charge des calculs d'incertitude, qui sont affichés dans le diagramme du facteur de bruit. L'activation et l'affichage corrects de l'incertitude sont simples : l'utilisateur active le menu approprié, coche la case relative au préamplificateur à utiliser, puis saisit son gain et son facteur de bruit.

Un amplificateur est mesuré avec 101 points entre 1 GHz et 2,4 GHz. Le facteur de bruit, le gain et le facteur Y sont affichés dans leurs diagrammes respectifs, et leurs valeurs pour chaque fréquence mesurée sont listées dans le tableau des résultats. Le calcul d'incertitude a simplement été réglé grâce à l'utilisation d'un R&S®FS-SNS18.
Un amplificateur est mesuré avec 101 points entre 1 GHz et 2,4 GHz. Le facteur de bruit, le gain et le facteur Y sont affichés dans leurs diagrammes respectifs, et leurs valeurs pour chaque fréquence mesurée sont listées dans le tableau des résultats. Le calcul d'incertitude a simplement été réglé grâce à l'utilisation d'un R&S®FS-SNS18.
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Conclusion

L'analyseur de réseaux vectoriels R&S®ZNL est un instrument polyvalent qui peut caractériser la plupart des dispositifs sous test complexes tels que des amplificateurs, sans nécessiter de configurations chronophages ou que les utilisateurs n'aient de connaissances approfondies en RF. Les options d'analyse spectrale telles que le générateur de signaux et la mesure du facteur de bruit garantissent la flexibilité de l'instrument et permettent plus d'options matérielles telles que le bloc batterie pour faire du R&S®ZNL l'outil polyvalent par excellence, du laboratoire à l'extérieur. Les sondes de puissance R&S®NRP et les sources de bruit intelligentes R&S®FS-SNS peuvent être utilisées même pour les mesures les plus précises et les plus simples.