Moniporttisen RF-laitteen S-parametrien mittaus sujuu parhaiten käyttämällä vähintään 4-porttista VNA:ta eli vektoripiirianalysaattoria. Huolellisten kalibrointirutiinien avulla kaksiporttinen VNA voi kuitenkin yltää S-parametrien mittaamisessa yhtä hyvään tarkkuuteen. Tämä tarjoaa kustannustehokkaan ratkaisun niukkaan testausbudjettiin nojaaville hankkeille.

Vektoripiirinalysaattorilla (VNA, Vector Network Analyzer) tehdyt moniporttimittaukset RF-laitteiden S-parametrien määrittämiseksi ovat lisääntyneet merkittävästi viime vuosina. Keskeisiä kasvuun vaikuttavia tekijöitä ovat differentiaalisten siirtolinjojen käyttöönotto useimmissa nopeissa dataa käsittelevissä komponenteissa. Myös pinta-aaltosuotimien (SAW) ja differentiaalivahvistimien kaltaisten komponenttien yleistyminen langattomissa sovelluksissa on vaikuttanut komponenttien moniporttisuuteen.

Yksipäisiä siirtolinjoja korvataan differentiaalisilla paremman häiriövasteen, kohinansiedon, vakauden sekä vähäisemmän epälineaarisuuden vuoksi. Differentiaalisia linjoja ja laitteita käsitellään nelinapaverkkoina, jotka yleensä vaativat mittauksiin VNA-laitteen, jossa on vähintään neljä porttia.

Korkean hintansa vuoksi moniporttista (esim. 4-porttista) VNA-analysaattoria ei kuitenkaan ole aina helposti saatavilla. Seuraavassa käsitellään S- eli sirontaparametrien mittaamista moniporttisista RF-laitteista kaksiporttisen vektoriverkkoanalysaattorin avulla ja verrataan mittaustuloksia moniporttisen analysaattorin vastaaviin tuloksiin.

Kaksi ratkaisutapaa

Moniporttisen VNA-mittauksen suorittamiseen on kaksi vaihtoehtoista ratkaisutapaa. Moniporttisissa VNA-laitteissa on N kappaletta mittausportteja, jotka mahdollistavat kaikkien S-parametrien mittaamisen N porttisessa järjestelmässä yhdellä kytkennällä.

Vaihtoehtoisesti kaksiporttisella VNA:lla voidaan mitata kaksi porttia kerrallaan testattavana olevasta N-porttisesta laitteesta käyttäen analysaattorissa 2xN-toimintamuotoa.

Kaupalliset moniportti-VNA:t

Kuvassa 1 nähdään esimerkki nykyaikaisesta kaupallisesta VNA-mittausjärjestelmästä: neliporttinen 70 kHz – 110/125 GHz laajakaistainen analysaattori Anritsu ME7838A4. Järjestelmä tarjoaa parhaan mahdollisen kalibrointi- ja mittausvakauden (0,1 vs. 0,6 dB 24 tunnin aikana) sekä kohinamittaukset 125 gigahertsiin asti (Rx-moduli 3744x). Samassa kokoonpanossa voidaan käyttää kevyitä ja pienikokoisia mm-aaltoalueen mittausmoduuleja (272 g).

Tällä konfiguraatiolla on mahdollista tehdä testauskohteesta yksipäinen tai differentiaalinen mittaus, yhteismooditesti tai moodinmuunnos. Mittaustarkkuutta parantavat vaihelukitut vastaanottimet, vähäkohinainen RF-lähde ja systemaattisten virheiden korjaus. Täydellistä neliporttista virheenkorjausta varten mitataan kalibroinnin aikana kaikkiaan 72 virhetermiä.

Useita läpimenomittauksia (esim. S21) voidaan suorittaa samanaikaisesti ja vähentää siten kaikkien S-parametrien mittaamiseen tarvittavien pyyhkäisyjen määrää. Jokaiseen porttiin sijoitettu referenssivastaanotin auttaa optimoimaan nopeita moniporttisia mittauksia.

Aidosti neliporttisessa analysaattorissa on neljä vastaanotinta heijastusmittauksiin, joissa kussakin on kaksi näytteenotinta. Joko yhtä RF-lähdettä tai kahden lähteen yhdistelmää käytetään herätesignaalin syöttämiseen yhdelle porteista. Mittaustiedot kerätään kaikista vastaanottimista, mikä tarkoittaa, että kaikki kytkentävirheet voidaan tehokkaasti eliminoida, joten error box -virhemallia voidaan käyttää.

Kuva 1. Anritsu ME7838A4 on moderni laajakaistainen (145 GHz) moniporttinen järjestelmä, joka sisältää (kuvassa ylhäältä alas) näytöllisen VNA:n, moniporttisen signaalin jakajan, kaksi laajakaistaista testissettiä sekä harmaat ja kullanväriset 145 GHz mm-aaltoalueen mittausmoduulit.

Kaksiporttiset 2xN-järjestelmät

2xN-järjestelmä on yksinkertaisempi ja edullisempi menetelmä moniporttisten RF-laitteiden mittaamiseen, sillä se vaatii ainoastaan kaksiporttisen VNA:n ja jokaisen käyttämättömän portin päättämisen sovitetulla 50 Ω kuormalla. Tämä voidaan tehdä joko manuaalisesti tai ulkoisen kytkentämatriisin avulla, joka multipleksoi kaksiporttisen VNA:n porttimääräksi N. Jälkimmäisessä tapauksessa tarvitaan ulkoinen teholähde ja tietokoneohjattu logiikka kytkennän ja mittausten koordinointiin.

NIST (National Institute of Standards and Technology) on kuvannut kytkentämatriisikonseptin yksityiskohtaisesti artikkelissa ”In-line Multiport Calibration Algorithm”, (51st ARFTG Conference Digest, s. 88-90). Siinä ulkoisen tietokoneen suorittama ohjelma ohjaa kytkentämatriisia. Kuvassa 2 nähdään NIST:n suunnittelema kytkentämatriisi (2,1)-konfiguraatiossa (matriisin portti 2 kytkettynä VNA:n porttiin 1 ja matriisin portti 1 kytkettynä VNA:n porttiin 2).

2xN-järjestelmän suurin haittapuoli on, että kalibrointirutiini voi olla monimutkaisempi ja enemmän aikaa vievä verrattuna aidosti moniporttiseen järjestelmään. Yleisesti ottaen N-porttisen laitteen mittaaminen kaksiporttisella VNA:lla vaatii N(N-1)/2 mittausta. Jos laitteen loput portit päätetään tarkasti sovitetuilla kuormilla, testattavan laitteen S-parametrit voidaan johtaa (jonkin tason redundanssilla) suoraan mittauksista. Päätteet ovat kuitenkin usein epätäydellisiä ja niihin liittyvä virhe on siksi huomioitava uudelleennormalisoinnilla.

Artikkelissa ”A New Multiport Measurement-Method Using a Two-Port Network Analyzer” (IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest) on esimerkkinä kuvattu menetelmä, jolla määritetään yksi porttipäätteistä lisämittauksella, kun kaikki muut portit on päätetty omilla erityisillä kuormaimpedansseillaan. Menetelmää voidaan käyttää mittausten yksinkertaistamiseen hyödyntämällä hinnaltaan edullista kaksiporttista VNA-analysaattoria ja jättämällä testattavan kohteen käyttämättömät portit kytkemättömiksi.

Kuva 2. Anritsun kaksiporttinen Shockline MS46522B VNA liitettynä NIST-mallin mukaiseen neliporttiseen kytkentämatriisiin (2,1)-konfiguraatiossa.

Kalibrointi ja mittaustarkkuus

Yhteistyössä toteutettuun tutkimusprojektiin ”Metrology for new electrical measurement quantities in high-frequency circuits” osallistuivat useat eurooppalaiset metrologian laitokset kuten sveitsiläinen METAS, ranskalainen LNE ja brittiläinen NPL. Hankkeessa tutkittiin muun muassa moniporttisten VNA-laitekokoonpanojen jäljitettävyys- ja todennustekniikoita.

Yhteisprojektissa moniporttisille VNA-kalibrointitekniikoille suoritettiin sarja vertailuja. Testattavana laitteena käytettiin Marki Microwaven neliporttista 10 dB suuntakytkintä, joka oli kytketty mittauksiin 1,85 mm naarasliittimien kautta. Käytetty toimintataajuusalue oli testeissä 6 - 67 GHz.

Tutkimushankkeessa arvioidut menettelytavat (taulukko 1) sisälsivät kaksi menetelmää, joissa käytettiin kaksiporttista VNA:ta (metodit 1 ja 2), kaksi menetelmää, jotka sisälsivät neliporttisen VNA:n täydellisen kalibroinnin (metodit 3 ja 7) ja kolme menetelmää, joissa käytettiin ’nopeaa’ neliporttisen VNA:n kalibrointia. Viimeksi mainituissa SOL-kalibrointikomponentit (short, open, load) liitettiin vain osaan VNA-porteista (metodit 4, 5 ja 6).

Tutkimuksessa kävi ilmi, että metodit 1, 2, 3 ja 7 antavat S-parametreille laajasti samat tulokset, kun taas ’nopeat’ kalibrointimenetelmät (4, 5 ja 6) antavat epätarkempia tuloksia niille heijastuskertoimille, jotka mitattiin VNA:n porteista, joihin SOL-standardipäätteitä ei oltu kytketty suoraan kalibroinnin aikana.

Taulukko 1. Kooste menetelmistä S-parametrien moniporttimittauksiin. Taulukon lähteenä on lopullinen yhteishankeraportti ”Metrology for new electrical measurement quantities in high-frequency circuits” (SIB62).

Lisäksi hankkeessa suoritettiin moniporttisten S-parametrimittausten vertailu laboratorioiden välillä Saksan, Ranskan ja Ison-Britannian kansallisten laboratorioiden (PTB, LNE, NPL) kesken. Vertailumittausten kohteena oli Anritsun kolmiporttinen tehonjakaja, jossa on yksi urospuolinen ja kaksi naaraspuolista 1,85 mm liitintä, ja jonka toimintataajuusalue on 0 – 65 GHz, kuten kuvasta 3 nähdään.

LNE ja NPL käyttivät kolmiporttista SOLR-kalibrointia ’portista porttiin’, kun taas PTB käytti kolmiporttista SOLT-kalibrointia ’portista porttiin’ sekä pienimmän neliösumman moniporttimenetelmää. Laboratorioiden välisessä vertailussa mittaukset osoittivat hyvää yhteensopivuutta eri menetelmien ja laboratorioiden kesken.

Tulokset julkaistiin myöhemmin artikkelissa ”Measuring multiport devices with a two-port VNA with traceability to national standards”, (Martin Salter, 26th ANAMET Meeting) ja ne vahvistivat sen, että käyttämällä kaksiporttista VNA:ta moniporttisissa mittauksissa ei tarvitse tehdä kompromisseja.

Kuva 3. Anritsun RF-tehonjakajaa käytettiin testattavana laitteena, kun vertailtiin eri laboratorioiden suorittamia moniporttisia S-parametrimittauksia 65 GHz taajuuksille asti.

Kattava VNA-valikoima

Moniporttinen VNA-järjestelmä tarjoaa luonnollisesti parhaan joustavuuden ja suorituskyvyn moniporttisten RF-laitteiden karakterisointiin. Huolellisten kalibrointirutiinien avulla kaksiporttinen VNA-analysaattori voi kuitenkin yltää vertailukelpoiseen mittaustarkkuuteen ja tarjota näin kustannustehokkaan ratkaisun, kun testausbudjetti on rajallinen.

Testauslaitteiden käyttäjän on helppo valita paras VNA-ratkaisu yksilöllisiin tarpeisiinsa Anritsun laitteiden kattavasta valikoimasta. Tarjontaan kuuluu esimerkiksi yksiporttinen malli MS46121B, jolloin voidaan liittää useita laitteita rinnakkain moniporttisen kokoonpanon aikaansaamiseksi.

Kaksiporttiset VNA-analysaattorit, kuten pöytämallinen MS4647B ja kompakti USB-ratkaisu Shockline MS46122B, ovat ominaisuuksiltaan erityisen hyödyllisiä tuotanto- ja koulutuskäytössä. Täysin varusteltu neliporttinen VectorStar ME7838D4 puolestaan edustaa huippuluokan järjestelmää, joka yltää 145 gigahertsin laajakaistaiseen toimintaan.