Application Notes

Caratterizzazione di un amplificatore con la combinazione di analisi delle reti e dello spettro

La caratterizzazione generale di dispositivi in prova complessi come gli amplificatori richiede la misura di diversi parametri. Alcuni possono richiedere più dispositivi di prova o attrezzature costose. Grazie alla sua versatilità, l'analizzatore di reti R&S®ZNL è una soluzione economica che può caratterizzare una varietà di dispositivi in prova, sia attraverso l'analisi delle reti che l'analisi dello spettro.

Misura della figura di rumore dell'amplificatore con R&S®ZNL (dietro), un R&S®FS-SNS18 (a sinistra) e un preamplificatore esterno (a destra) alimentato da un R&S®HMP2030 programmabile (dietro a destra).
Misura della figura di rumore dell'amplificatore con R&S®ZNL (dietro), un R&S®FS-SNS18 (a sinistra) e un preamplificatore esterno (a destra) alimentato da un R&S®HMP2030 programmabile (dietro a destra).
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Attività da eseguire

Gli amplificatori sono uno dei componenti RF più comuni e vengono utilizzati in innumerevoli applicazioni, ma sono anche uno dei dispositivi in prova (DUT) più complessi da misurare. Per effettuarne una caratterizzazione completa, un amplificatore deve essere misurato per definire i parametri S lineari a una determinata frequenza o potenza e per misurare parametri come la distorsione armonica, l'intercetta del terzo ordine (TOI), i punti di compressione e la cifra di rumore, tutte misure che potrebbero non essere possibili con un analizzatore di reti vettoriale tradizionale. In effetti, per misurare tali parametri vengono spesso utilizzate apparecchiature di fascia alta, oppure dei classici analizzatori di reti vettoriali (VNA) economici, che però richiedono generalmente complicate configurazioni e una fase di post-elaborazione per ricavare i dati nel formato corretto, che richiede tempo.

Anche passare da una stazione di prova all'altra per utilizzare un VNA e un analizzatore di spettro è una possibilità; tuttavia, non è la soluzione ideale quando il tempo o lo spazio sono limitati, poiché il dispositivo in prova ed eventualmente il VNA, i cavi, un kit o un'unità di calibrazione devono essere spostati da un posto all'altro.

Visualizzazione dei dati con R&S®ZNL Multiview. Questa configurazione viene automaticamente abilitata quando più di una modalità è attivata come canale aggiuntivo e vi si può accedere navigando nella scheda corrispondente nella parte superiore dello schermo.
Visualizzazione dei dati con R&S®ZNL Multiview. Questa configurazione viene automaticamente abilitata quando più di una modalità è attivata come canale aggiuntivo e vi si può accedere navigando nella scheda corrispondente nella parte superiore dello schermo.
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Soluzione Rohde & Schwarz

Le funzioni di analizzatore di spettro, generatore di segnali e misura della cifra di rumore (abilitate dalle opzioni R&S®ZNLx-B1, R&S®ZNL-K14 e R&S®ZNL-K30) permettono all'analizzatore R&S®ZNL di affrontare tutti questi problemi, eliminando completamente la necessità di spostare dispositivo e accessori tra le diverse stazioni.

L'analizzatore R&S®ZNL è uno strumento portatile economico e multifunzionale. Funziona come un analizzatore di reti vettoriale, può essere potenziato con l'hardware per l'analisi dello spettro in tempo reale (opzione R&S®ZNLx-B1) e offre tutte le funzionalità e le prestazioni necessarie per la caratterizzazione completa degli amplificatori in un unico strumento leggero e compatto, che può anche essere dotato di un pacco batterie (opzione R&S®FPL1-B31) per la massima mobilità. Passare dalla modalità di analisi delle reti a quella di analisi dello spettro e viceversa è molto facile e la funzione R&S®ZNL Multiview mostra tutti i risultati di entrambe le modalità in un'unica finestra con una comoda visualizzazione dei dati e un reporting completo.

Misura dei parametri S in modalità analisi di reti per la caratterizzazione di un amplificatore con un minimo di circa 15 dB di guadagno nella gamma di frequenza selezionata. Un'alta potenza d'uscita del VNA può sovraccaricare il ricevitore di misura.
Misura dei parametri S in modalità analisi di reti la per caratterizzazione di un amplificatore con un minimo di circa 15 dB di guadagno nella gamma di frequenza selezionata. Un'alta potenza d'uscita del VNA può sovraccaricare il ricevitore di misura.
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Applicazione

Il guadagno dell'amplificatore, la perdita di ritorno in ingresso (o VSWR) e la perdita di ritorno in uscita possono essere misurati accuratamente dallo strumento R&S®ZNL in modalità di analisi della rete vettoriale: basta definire la gamma di frequenza, il numero di punti necessari per la misura e regolare la gamma dinamica richiesta e la velocità di misura selezionando la larghezza di banda appropriata. Anche se le porte dell'analizzatore R&S®ZNL possono sopportare livelli d'ingresso di +27 dBm senza danni, è comunque importante non portare l'amplificatore in prova e i ricevitori interni dello strumento R&S®ZNL in condizioni di compressione (o distruggerli). Pertanto, la potenza d'uscita dell'analizzatore R&S®ZNL va selezionata con attenzione e gli attenuatori esterni vanno considerati se necessario. Un messaggio di sistema informa l'utente quando il ricevitore di misura è sovraccarico, per garantire sia la precisione della misura, sia l'integrità dello strumento. Per garantire una protezione aggiuntiva, lo strumento R&S®ZNL può anche essere equipaggiato con attenuatori a passi del ricevitore attivati sulla porta 1 (opzione R&S®ZNLx-B31) e sulla porta 2 (opzione R&S®ZNLx-B32), mentre la potenza d'uscita può essere impostata fino a -40 dBm (opzione R&S®ZNLx-B22).

Scelta delle misure dell'analizzatore di spettro. Questo menu è accessibile premendo il pulsante "Meas" quando si è in modalità analisi dello spettro.
Scelta delle misure dell'analizzatore di spettro. Questo menu è accessibile premendo il pulsante "Meas" quando si è in modalità analisi dello spettro.
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Infine, una calibrazione completa a due porte è richiesta prima che il test possa essere avviato. Il flusso di lavoro di calibrazione nel menu guida gli utenti passo dopo passo attraverso il processo, a partire dalla selezione di kit di calibrazione manuale o unità di calibrazione automatica Rohde & Schwarz, fino alla connessione e alla misura degli standard.

La modalità di analisi dello spettro è accessibile dal menu "Mode" e permette di eseguire diverse misure e di visualizzare comodamente le informazioni pertinenti. Non c'è bisogno di cambiare fisicamente la configurazione di misura.

Le seguenti misure sono raccomandate per gli amplificatori:

  • Zero span
  • Distorsione armonica
  • Intercetta del terzo ordine

"Zero span" può misurare i punti di compressione dell'amplificatore a una determinata frequenza quando uno stimolo è applicato alla stessa frequenza. Di solito è necessaria una fonte di segnale esterna, tuttavia l'opzione R&S®ZNL-K14 elimina la necessità di apparecchiature aggiuntive con un generatore di segnale a onda continua (CW) indipendente. Le uniche impostazioni necessarie per il ricevitore sono la selezione della frequenza di prova e un'attenuazione appropriata. Il generatore viene, quindi, configurato inserendo la stessa frequenza di prova e un livello di segnale abbastanza basso da garantire che il dispositivo in prova non sia in compressione.

Per identificare facilmente i punti di compressione, l'offset di riferimento può essere regolato in modo che il livello del generatore corrisponda all'uscita dell'amplificatore. Quando il livello del segnale sorgente CW viene gradualmente aumentato, solo la quantità visualizzata sullo schermo deve essere monitorata, e l'utente deve osservare quando la quantità visualizzata scende di una determinata quantità di dB sotto l'ingresso selezionato.

Una misura "Zero Span" di un amplificatore a 500 MHz. Con un segnale d'ingresso CW di -20 dBm, l'offset di riferimento è scelto in modo che il marcatore mostri la stessa cifra dell'ingresso del generatore (-20 dBm). Il suo livello di segnale viene poi gradualmente aumentato, fino a quando il marcatore mostra esattamente 1 dB di differenza dal livello del generatore; quindi si può concludere che il punto di compressione a -1 dB è a -10,5 dBm di potenza d'ingresso.
Una misura "Zero Span" di un amplificatore a 500 MHz. Con un segnale d'ingresso CW di -20 dBm, l'offset di riferimento è scelto in modo che il marcatore mostri la stessa cifra dell'ingresso del generatore (-20 dBm). Il suo livello di segnale viene poi gradualmente aumentato, fino a quando il marcatore mostra esattamente 1 dB di differenza dal livello del generatore; quindi si può concludere che il punto di compressione a -1 dB è a -10,5 dBm di potenza d'ingresso.
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Le stesse misure possono essere eseguite anche in modalità analisi delle reti, normalizzando il segnale CW amplificato trasmesso quando il dispositivo in prova è nella sua regione lineare (prima della compressione di -1 dB) e osservando la deviazione della curva S21 dal suo zero, quando la potenza del segnale alimentato all'ingresso dell'amplificatore viene gradualmente aumentata.

La modalità di analisi dello spettro può anche ricavare le prestazioni di distorsione armonica del dispositivo in prova. Selezionare "harmonic distortion" (distorsione armonica) dal menu di misura dell'analisi dello spettro è l'unica azione necessaria per visualizzare i valori delle armoniche rilevanti per la portante selezionata. Il sistema mostrerà automaticamente i dati delle prime dieci armoniche e la distorsione armonica totale (THD). Sia il numero di armoniche sia il tempo di misura possono essere regolati nel menu appropriato.

Il sensore di potenza NRP18T supporta misure da -35 dBm a +20 dBm, dalla continua fino a 18 GHz.
Il sensore di potenza NRP18T supporta misure da -35 dBm a +20 dBm, dalla continua fino a 18 GHz.
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I prodotti di intermodulazione possono essere facilmente visualizzati selezionando "third-order intercept" (intercetta del terzo ordine) dal menu di misura. Tuttavia, questo test specifico richiede che l'ingresso del dispositivo in prova sia un segnale a due toni, che può essere ottenuto unendo due diversi segnali CW attraverso un combinatore esterno. Uno dei segnali può essere fornito dalla porta 1 dell'analizzatore R&S®ZNL, grazie all'opzione R&S®ZNL-K14, mentre il secondo dovrà essere fornito da una fonte esterna, come un generatore di segnali o un secondo VNA. La configurazione può, quindi, fornire informazioni sul TOI dell'amplificatore.

Le prime dieci armoniche di una portante di 500 MHz sono comodamente mostrate con la misura della "distorsione armonica". La tabella riassuntiva dei risultati elenca la loro frequenza e il livello di potenza. Il generatore CW può essere comandato dalla barra degli strumenti sulla sinistra dello schermo.
Le prime dieci armoniche di una portante di 500 MHz sono comodamente mostrate con la misura della "distorsione armonica". La tabella riassuntiva dei risultati elenca la loro frequenza e il livello di potenza. Il generatore CW può essere comandato dalla barra degli strumenti sulla sinistra dello schermo.
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Se fosse necessario un intervallo di misura ancora più ampio o una precisione metrologica per le misure di potenza in modalità analisi dello spettro, il supporto per tutti i sensori di potenza R&S®NRP può essere abilitato con l'opzione R&S®FPL1-K9.

Poiché i cavi introducono perdite, il livello di potenza del segnale generato dall'analizzatore R&S®ZNL e inviato all'ingresso del dispositivo in prova può essere controllato per determinare eventuali perdite. La differenza tra ingresso e uscita può essere analizzata nella modalità di analisi dello spettro confrontando il livello di potenza del generatore e il livello visualizzato dallo strumento quando il cavo che porta all'ingresso del dispositivo in prova è invece collegato con la porta 2 o con un sensore di potenza. L'offset del generatore può essere usato per sintonizzare finemente il segnale d'ingresso del dispositivo in prova e compensare le perdite del cavo. Una valutazione simile è possibile nella modalità di analisi della reti analizzando le quantità d'onda a1 sulla porta 1 e b1 sulla porta 2.

Inoltre, la cifra di rumore (NF) dell'amplificatore può essere misurata selezionando "Noise Figure" nel menu "Mode" (Modalità) del R&S®ZNL. Questa misura richiede che l'opzione R&S®ZNL-K30 sia attiva e che sia disponibile una sorgente di rumore insieme a un preamplificatore esterno, a seconda dei requisiti del dispositivo in prova. L'opzione R&S®FPL1-B5 permette di controllare una sorgente di rumore direttamente dall'analizzatore R&S®ZNL. Per misure NF semplici e altamente accurate, si raccomanda una sorgente di rumore intelligente R&S®FS-SNS, che viene identificata automaticamente dal sistema e non richiede alcun inserimento di impostazioni da parte dell'utente.

Il generatore CW di un analizzatore R&S®ZNL6 è stato impostato su 1 GHz, mentre un altro segnale CW a 1,2 GHz viene fornito da un generatore di segnale esterno. I due toni vengono uniti da un combinatore e forniti come ingresso all'amplificatore. Lo spettro risultante è misurato dall'analizzatore R&S®ZNL6 in modalità di misura "intercetta del terzo ordine". È anche possibile attivare uno spettrogramma.
Il generatore CW di un analizzatore R&S®ZNL6 è stato impostato su 1 GHz, mentre un altro segnale CW a 1,2 GHz viene fornito da un generatore di segnale esterno. I due toni vengono uniti da un combinatore e forniti come ingresso all'amplificatore. Lo spettro risultante è misurato dall'analizzatore R&S®ZNL6 in modalità di misura "intercetta del terzo ordine". È anche possibile attivare uno spettrogramma.
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Anche le impostazioni di misura sono semplici: gli utenti devono solo selezionare la gamma di frequenza e i punti di misura. Se necessario, possono anche controllare i tempi di misura e di assestamento per ogni punto. La caratterizzazione della cifra di rumore di un amplificatore richiede una diversa connessione del dispositivo in prova. Il sistema viene calibrato collegando la sorgente di rumore alla seconda porta dell'analizzatore R&S®ZNL con un preamplificatore in mezzo. Una volta completata la fase di calibrazione, il dispositivo in prova viene inserito tra la sorgente di rumore e il preamplificatore (vedere foto a pagina 1) e misurato. Tutti i modelli R&S®FS-SNS possono anche supportare i calcoli di incertezza, che vengono visualizzati comodamente nel diagramma NF. Attivare e visualizzare correttamente l'incertezza è facile: l'utente attiva il menu appropriato, spunta la casella di controllo per l'uso del preamplificatore e inserisce il suo guadagno e NF.

Un amplificatore viene misurato con 101 punti tra 1 GHz e 2,4 GHz. NF, guadagno e fattore Y sono visualizzati nei loro diagrammi relativi, e il loro valore per ogni frequenza misurata è elencato nella tabella dei risultati. Il calcolo dell'incertezza è stato facilmente impostato grazie all'uso di una sorgente di rumore R&S®FS-SNS18.
Un amplificatore viene misurato con 101 punti tra 1 GHz e 2,4 GHz. NF, guadagno e fattore Y sono visualizzati nei loro diagrammi relativi, e il loro valore per ogni frequenza misurata è elencato nella tabella dei risultati. Il calcolo dell'incertezza è stato facilmente impostato grazie all'uso di una sorgente di rumore R&S®FS-SNS18.
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Riassunto

L'analizzatore di reti vettoriale R&S®ZNL è uno strumento versatile che può caratterizzare i dispositivi in prova più impegnativi come gli amplificatori senza richiedere lunghe configurazioni o che gli utenti abbiano una conoscenza specialistica sulle misure RF. Le opzioni di analisi dello spettro, come il generatore di segnali e il supporto per la misura della cifra di rumore, assicurano la massima flessibilità di utilizzo dello strumento, mentre la disponibilità di molteplici opzioni hardware, come il pacco batterie, possono rendere l'analizzatore R&S®ZNL il perfetto strumento tuttofare per ogni luogo di lavoro, dai laboratori agli ambienti esterni. I sensori di potenza R&S®NRP e le sorgenti di rumore intelligenti R&S®FS-SNS possono essere utilizzati per effettuare misure ancora più precise e senza fatica.