Как работают векторные анализаторы электрических цепей

Приветствую, дорогие друзья. С вами Тимур Гаранин.

Сегодня поговорим о таких серьезных приборах, как векторные анализаторы электрических цепей.

Рассмотрим сначала простейший случай. Представим, что у нас есть некий черный ящик. Этот черный ящик выполнен в виде четырехполюсника, то есть у него есть 2-контактный порт с одной стороны и такой же порт с другой стороны.  А нам нужно определить характеристики этого чёрного ящика, и по возможности сказать, что там. Может там фильтр, может там отрезок кабеля и нам нужно определить, какова его длина, а может там трансформатор.

Как определить характеристики этого четырехполюсника? И тут нам на помощь приходит  простейший двухканальный векторный анализатор цепей.

Как он работает? Анализатор подключается своими каналами ко входу и к выходу четырехполюсника. После чего начинает посылать гармонический сигнал на вход чёрного ящика.  А затем обеими своими каналами слушает, что пришло с выходов четырехполюсника. Часть сигнала отражается, и эта часть называется параметром S11. Часть сигнала проходит на выход, и формирует параметр S12. Сигналы S11 и S12 анализируются как по амплитуде, так и по фазе.

Потом каналы меняются местами. Сигнал поступает на выход четырехполюсника. Отражённый от выхода сигнал называется S22, а сигнал, прошедший на вход, называется S21.

Пока что мы рассмотрели пример того, как проходит сквозь четырехполюсник сигнал на одной конкретной частоте. Однако полноценные анализаторы пропускают сквозь четырехполюсник, разумеется, целый диапазон частот. А это дает возможность построить частотозависимые графики, АЧХ и ФЧХ по всем параметрам.

А какие это могут быть параметры, кроме уже рассмотренных S-параметров? Это могут быть активное, реактивное, комплексное сопротивления, коэффициенты стоячих волн,  причём в форме частотнозависимых характеристик, время задержки сигнала и так далее.

В общем, главное понимать, что векторные анализаторы работают по следующему принципу: посылают на входы черного ящика сигналы различной частоты, слушают со всех входов и выходов отклик от этих сигналов, на основании чего строят частотозависимые характеристики.

Но бывают ситуации, когда черный ящик представляет собой не четырехполюсник, а двухполюсник. Например, это отрезок кабеля с подключённой к его концу антенной. В этом случае у нас только один вход, а следовательно двухканальный векторный анализатор будет избыточен, и определить можно только характеристики по одному входу устройства.

В связи с этим широкое распространение получили упрощенные векторные анализаторы с одним каналом. Примером такого одноканального анализатора может служить N1201SA. Собственно говоря, такие приборы иногда называют антенными анализаторами.

Какие параметры можно измерить при помощи одноканального анализатора?

Во-первых, можно выставить конкретную частоту, и на этой частоте определять следующие характерисктики: активное сопротивление, реактивное сопротивление, коэффициент стоячей волны по напряжению, амплитуду и фазу отражённого сигнала от входа, то есть параметр s11. А также комплексное сопротивление, и входные емкость и индуктивность цепи.

А во-вторых, эти же параметры можно получить в виде частотозависимых рафиков.

Как подобные приборы применяются на практике?

Представим, что у нас есть отрезок кабеля.  Одним концом он подключён к анализатору, второй конец открыт. Во-первых, на каждой конкретной частоте можно определять входное реактивное сопротивление цепи, коэффициент стоячей волны и так далее. Но можно поступить мудрее, и сразу построить частотозависимые графики, например параметра s11.

И мы увидим следующий график. На определенных частотах будут очень резкие провалы. Примерно также должен выглядеть и график коэффициента стоячей волны. Так что же это за провалы, и каким частотам они соответствуют?

Кабель это, разумеется, отрезок длинной линии.  Сигнал, поступивший на вход кабеля, отражается от открытого конца, и возвращается в анализатор. Но когда мы попадаем на частоту, четверть длины волны которой соответствует длине этого кабеля, то у нас возникает четкая стоячая волна. На открытом конце мы получаем максимум напряжения, а в точке подключения к анализатору напряжение стремится к нулю. Вот здесь-то мы получаем провал в частотнозависимой характеристике.

Откуда берутся остальные провалы на графике? Всё дело в том, что в этом кабеле может поместиться не только 1 четверть длины волны, но и три четверти, и пять четвертей длин волн, соответствующих нечетным гармоникам резонансной частоты, и тогда мы получим такие же минимумы отраженного напряжения. Но если в кабеле поместилось четное количество четвертей длин волн, то мы наоборот получим максимум отражённого сигнала по напряжению.

Эти параметры, графики, критически важны для согласования антенных систем с источниками сигнала. Почему? Рассмотрим следующий пример.

Мы взяли прекрасную, хорошо согласованную антенну, диполь, и подключили её к антенному анализатору, без кабеля. Построили частотно зависимую характеристику, и обрадовались тому, что антенна чётко соответствует резонансной частоте и согласована с источником идеально.

А теперь взяли кабель, подключили его к антенне одним концом, а другим концом к анализатору. И, построив частотнозависимые графики, ужаснулись тому, что теперь антенная система совершенно не соответствует точке согласования. То есть на той же частоте, у нас не минимум, а наоборот максимум параметра S11, отраженного сигнала. Почему так получилось?

Всё дело в том, что кабель, являясь отрезком длинной линии, работает как продолжение антенны. В том месте, где антенна подключается к кабелю, у нас минимум напряжения и максимум тока, но если длина самого кабеля соответствует  нечетному числу четвертей длины волны, то на точку подключения к анализатору, либо приемнику или передатчику, у нас придется минимум тока и максимум напряжения. И соответственно на графике параметра S11 у нас будет не провал, а наоборот горб на этой частоте.

То есть, сами того не подозревая, подключив кабель, длина которого составляет нечетное число четвертей длины волны, мы создали ситуацию наихудшего согласования. А наилучшее согласование будет тогда, когда  в кабеле поместится четное количество четвертей длины волны.

Вот почему при работе с антеннами стоячей волны так важно учитывать длину кабеля. И вот для чего такие анализаторы в принципе и предназначены.

Кстати говоря, при работе с антеннами бегущей волны таких проблем не возникает. Так как в антенне бегущей волны отраженный сигнал в принципе не подразумевается.

Ну что ж, давайте подытожим:

1. Полноценные векторные анализаторы способны определять S-параметры, и другие величины, характеризующие электрическую цепь, по всем портам многопортового устройства.
2. Одноканальные векторные анализаторы способны определять параметры цепи только по одному входу устройства.
3. Длина кабеля имеет важное значение при согласовании антенн стоячей волны. Для определения точки наилучшего согласования и используются одноканальные анализаторы

На сегодня всё. Если ролик был для вас полезен, ставьте лайки, делитесь в соцсетях. И в любом случае пишите в комментариях, о чём бы вы ещё хотели услышать. Всем удачи!