전송 및 반사 신호 정보는 RF 구성요소 및 시스템을 설계하고 검증할 때 매우 중요합니다. 이 애플리케이션 노트에서는 2포트 네트워크의 완전한 S-파라미터 특성화를 위해 Moku:Lab의 주파수 응답 분석기를 RF 방향성 커플러와 함께 사용합니다.
개요
길고 끝없는 복도에 소리를 지르는 것을 상상해보십시오. 소리는 불연속성 없이 심연 속으로 이동하다가 결국 무(無)로 사라져 버릴 뿐이다. 다음으로, 같은 일을 한다고 상상해 보세요. 그러나 복도는 벽으로 잘립니다. 이번에는 당신이 소리를 지르면 당신의 목소리가 벽에 반사되어 당신에게 다시 울려 퍼집니다. 이러한 반사 현상은 RF 세계에서 고주파 신호(수백 MHz 또는 GHz)를 처리하는 것과 유사합니다. RF 시스템의 전송 라인을 따라 임피던스가 일치하지 않으면 신호 반사가 발생합니다. 이러한 반사는 전송 품질과 효율성을 감소시키기 때문에 RF 설계에서는 최적이 아닙니다. 고주파수 설계 시 유용한 매개변수 중 하나는 S 매개변수, 즉 "산란 매개변수"입니다. 포트 네트워크 시스템의 반사/전송 특성을 설명하는 데 사용됩니다. 즉, RF 에너지가 다중 포트 네트워크를 통해 전파되는 방식을 설명하는 데 도움이 됩니다. 우리는 Moku:Lab의 주파수 응답 분석기를 사용하여 고주파수에서 시스템과 필터를 분석할 때 이 매개변수를 심층적으로 탐색하고 그 구현을 보여줄 것입니다. 전송선 문제와 임피던스 매칭을 스미스 차트로 시각화하겠습니다.
이론
S-파라미터는 복소수입니다. 즉, 허수부와 실수부를 모두 포함하므로 크기와 위상을 모두 나타낼 수 있습니다. 우리는 주로 전력 이득이나 손실에 관심이 있기 때문에 주파수의 함수로서 크기에 초점을 맞출 것입니다.
테스트 중인 장치(DUT)의 S 매개변수 특성화는 해당 DUT를 하나 이상의 포트가 있는 블랙박스로 처리합니다. 여기서 신호는 모든 포트에 들어오고 나갈 수 있습니다. 이 상자에는 저항기, 필터, 집적 회로 또는 전송선 등 다양한 시스템 변수가 포함될 수 있으며 이에 대한 세부 정보는 숨겨져 있습니다. S-파라미터의 장점은 S-파라미터에 설명된 대로 전송 및 반사 신호를 분석함으로써 DUT를 완전히 이해할 수 있다는 것입니다. 아래 그림은 S 매개변수로 캡처된 모든 신호 경로와 함께 2포트 DUT 네트워크를 나타내는 그림입니다.
그림 1: 2포트 네트워크의 S-파라미터 표현
이 2포트 네트워크의 S-파라미터 XNUMX개에는 고려 중인 포트와 관련된 첨자가 있습니다. 아래 그림과 같이 첫 번째 숫자는 출력 포트(신생)이고 두 번째 숫자는 입력 포트(적용)입니다.
예를 들어22 특정 주파수에서 포트 2로부터 시스템의 반사 전력(크기 및 위상)을 나타냅니다. Moku:Lab의 FRA는 스위프 사인파를 사용하여 DUT를 시스템의 입력 포트로 구동하고 시스템의 출력 포트에서 진폭 및 위상 응답을 추출할 수 있습니다. Moku:Lab은 자체적으로 S를 측정할 수 있습니다.12 또는 S21 2포트 시스템이지만 S는 아님11 및 S22.
이러한 복소수는 산란 행렬로 알려진 수학적 표현에서 발생합니다. 이 형식에서 행과 열은 존재하는 포트 수를 나타냅니다. 매트릭스는 n-포트 네트워크에서 특정 포트 특성을 분리하고 연구하는 데 사용할 수 있는 강력하고 확장 가능한 선형 도구를 허용합니다.
방향성 결합기
방향성 결합기는 특정 방향(다른 방향은 아님)으로 전송되는 일정량의 전력을 결합하도록 설계된 아날로그 장치입니다. S-파라미터를 측정하는 데 사용할 방향성 결합기는 미니 회로 ZFDC-10-21입니다. 입력(In), 출력(Out), 커플링(CPL) 포트가 있습니다. 입력에서 출력으로 이동하는 신호의 경우 전력의 작은 부분이 CPL 포트에 연결됩니다. 역방향으로 이동하는 신호의 경우 전원이 거의 결합되지 않습니다. 이는 RF 커플러의 입력 포트에 DUT를 배치하고 출력 포트에서 장치를 구동하는 경우 CPL 포트를 모니터링하여 반사 전력을 조사할 수 있음을 의미합니다. 방향성 커플러의 도움으로 Moku:Lab의 FRA는 2포트 시스템의 S 매개변수 XNUMX개를 모두 측정할 수 있습니다.
그림 2: 다양한 상황에서 방향성 커플러 내부의 전력 흐름
Moku:Lab 설정
당사의 2포트 네트워크는 35~30MHz의 주파수 범위를 갖는 미니 회로(BBP-40A+)에 의한 대역통과 필터입니다.
그림 3은 2포트 필터(BPF) 및 RF 커플러(Mini Circuits ZFDC-10-21)에 대한 Moku:Lab의 네 가지 배열을 보여줍니다. S를 측정할 때 임피던스 정합을 유지하기 위해 50Ω 터미네이터가 필터와 직렬로 연결되어 있습니다.11 및 S22 매개 변수를 설정합니다.
그림 3: S-파라미터 측정을 위한 Moku:Lab 구성
측정 검증
이 섹션에서는 넓은 대역폭에 대한 FRA 측정값을 사양(예: 데이터시트의)과 비교하여 RF 구성 요소를 검증합니다.
그림 4: 대역 통과 필터에 대한 Moku:Lab FRA 플롯
그림 4 상단의 크기 플롯은 필터가 평가하는 대략 30-40MHz 대역 통과를 보여주고 하단 플롯은 위상을 표시합니다. 두 측정 모두 50Ω 입력 임피던스 설정으로 이루어졌으며 1~120MHz의 주파수 범위를 스윕합니다. 이제 알려진 데이터와 비교하여 이러한 결과를 검증하여 XNUMX개의 S-매개변수를 모두 정확하게 측정하는 Moku:Lab의 기능을 확인할 수 있습니다.
그림 5: 측정 및 데이터시트 S12 플롯
측정값을 검증하기 위해 전송 신호(S)를 측정하는 실험 데이터를 비교할 것입니다.12) Moku:Lab의 FRA에서 Mini-Circuits에서 제공하는 사양 시트까지.
S에 대한 이론적 플롯과 실험적 플롯 비교12 Moku:Lab이 FRA를 사용하여 정확한 S-매개변수를 생성한다는 것을 검증하는 합리적인 합의가 있음이 분명합니다.
이제 Moku:Lab의 FRA를 사용하여 미니 회로 커플러를 설정하여 생성된 결과에 대한 확신이 생겼으므로 위 절차를 사용하여 2포트 시스템의 S 매개변수 4개를 모두 기록할 수 있습니다.
그림 6: S 매개변수 크기 도표
그림 6은 반사 신호(S11 및 S22) 및 전송 신호(S21 및 S12) Moku:Lab 측정에서 플롯된 대로 1MHz ~ 120MHz의 주파수 범위에서.
추가 분석
그림 7: S11 및 S22
순방향 및 역방향 신호 반사를 분리하면 통과 대역(30~40MHz) 경계 주변에서 상당한 감소가 있음을 알 수 있습니다. 민감한 시스템을 다룰 때 -6.66dB, -7.86dB와 같은 감쇠로 인해 대부분의 신호가 반사되므로 전력 전달이 감소할 수 있습니다. 이러한 제한을 피하고 28.6MHz 및 41.6MHz 범위 내에 머무르면 원치 않는 순방향 및 역방향 반사가 제거되어 시스템 전체에서 신호 전송이 최대화됩니다.
MATLAB을 통한 스미스 차트
MATLAB RF TOOLBOX의 도움으로 우리는 .s2p 파일 형식에 따라 크기 및 위상 데이터를 MATLAB으로 가져올 수 있습니다. 여기서는 Mini-Circuits에서 제공하는 S-파라미터를 Moku:Lab에서 캡처한 실험용 S-파라미터와 비교할 것입니다.
그림 8: 데이터시트에서 파생된 스미스 차트
그림 9: Moku:Lab 측정에서 파생된 Smith 차트
스미스 차트는 읽기 쉬운 그래픽 방식으로 S 매개변수의 특성을 파악하고 용량성 또는 유도성 임피던스 매칭이 가능하므로 RF 엔지니어에게 매우 유용한 도구입니다.
결론
이 애플리케이션 노트에서는 RF 네트워크를 분석할 때 S-파라미터의 강력한 기능을 소개했습니다. 주파수 응답 분석기와 RF 커플러를 결합하면 n-포트 네트워크의 정확하고 반복 가능한 S-파라미터 데이터를 생성할 수 있습니다. 또한 이 반사 데이터는 MATLAB을 사용하여 Smith Charts를 통해 내보내고 시각화할 수 있습니다. 이를 통해 시스템 내의 신호 반사와 관련된 임피던스 불일치에 대한 심층 분석이 가능합니다.
참조
[1] https://www.microwaves101.com/encyclopedias/s-parameters
[2] .s2p 파일 형식, Macom 애플리케이션 노트 AN3009
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