Arinst VNA-DL 1-8800 MHz: большие задачи для маленького ВАЦ
Оригинал статьи: https://vk.com/@rstepand-bolshie-zadachi-dlya-malenkogo-vac-arinst-vna-dl-1-8800-mhz
С приборами компании Крокс я знаком не по наслышке уже около пяти лет. Мое знакомство с приборами серии Arinst началось со статьи на Хабре «Сравнительный обзор портативных СВЧ приборов Arinst vs Anritsu» [3]. Уже тогда я подумал, что было бы очень неплохо иметь в своем арсенале несколько таких приборов.
С 2019 года я использую связку Arinst VR 23-6200 плюс Arinst SSA-TG R2. И всегда эти приборы меня радовали своими миниатюрными размерами и измерениями, достаточно точными для тех задач, в которых эти приборы применялись. Неоднократно использовал эти приборы в своих частных проектах и в некоторых рабочих проектах.
В последнее время наметилась устойчивая тенденция по использованию приборов серии Arinst не только в любительских проектах, но и во вполне профессиональных. Неоднократно коллеги рассказывали, что устав ждать от начальства обещанные измерительные приборы, покупали за свои деньги приборы компании Крокс. Вот так, созданные изначально для радиолюбительского применения, приборы серии Arinst стали часто применятся там, где и не планировалось.
К чему я все это пишу? Дело в том, что та задача, о которой я хочу рассказать, решалась в похожих условиях - нет возможности заложить большой бюджет на покупку измерительных приборов, а решение нужно получить как можно быстрее. Именно поэтому я и обратился к представителям компании Крокс с просьбой предоставить для тестирования двухпортовый векторный анализатор цепей (ВАЦ) серии Arinst — VNA-DL 1-8800 MHz (рис.1).
Хочу сказать большое спасибо! коллегам из Крокс за их отзывчивость — без лишних вопросов предоставили свой прибор. Получил его буквально через пару дней после того, как пообщался с представителями компании.
Компания Крокс честно пишет в документации на свои приборы, что они не являются средствами измерения. Тем не менее, как уже было сказано выше, приборы серии Arinst применяют не только радиолюбители. Как так получается?
Дело в том, что не всегда нужен прибор, внесенный в реестр средств измерений и имеющий сертификат о поверке. В ряде задач достаточно иметь прибор, который позволит с достаточной (для конкретной задачи) точностью получить оценку измеряемого параметра или характеристики. И одна из таких задач — осуществление входного контроля.
Российская телекоммуникационная/IT компания, для которой собирался стенд для входного контроля, имеет большое производство, на котором используются десятки тысяч различных ЭРИ. В этот раз возникла необходимость в контроле ПАВ-фильтров. Кстати, фильтры тоже российские. Входной контроль подразумевает, что у нас есть некоторая тестовая оснастка (измерительная оснастка, контактное приспособление), в которую устанавливается проверяемый фильтр. Сама оснастка при этом подключается к измерительному прибору (в нашем случае - к VNA-DL). Стенд для входного контроля показан на рис.2
Тестовая оснастка максимально проста в использовании и позволяет достаточно быстро установить обмеряемый фильтр. Сервоприводов и нейросетей нет - исключительно ручная работа :)
Для оценки работоспособности фильтра проверяются коэффициент передачи (S21) и коэффициент отражения (S11). Для этих целей VNA-DL очень хорошо подходит, т.к. позволяет получить информацию и о том, и о другом (рис.3)
Из графиков (рис.3) видно, что даже с учетом влияния тестовой оснастки есть запас по характеристикам в полосе пропускания (S21>-3 дБ, КСВН<1,8) и запас в полосе заграждения (не хуже -40 дБ).
В принципе, всё - входной контроль ПАВ-фильтра мы провели и убедились, что фильтр соответствует тем характеристикам, что заявляет производитель [7]. Можно вставить в оснастку следующий фильтр и повторить процедуру.
Но давайте рассмотрим подробнее, как были получены графики, на основе которых мы сделали выводы о пригодности фильтра.
Краткий обзор работы с Arinst VNA-DL 1-8800 MHz
VNA-DL работает как «виртуальный» прибор, т.е. для его работы обязательно нужен ПК и специальное ПО «Arinst Virtual Lab» (AVL) [1]. Именно это ПО и позволяет получать пользователю данные в нужном формате. Кстати, различных форматов отображения данных у AVL достаточно много (см.рис.4).
Посмотрите в разделе меню «Plots» какое богатство вариантов отображения для коэффициента отражения (рис.4). Для коэффициента передачи вариантов поменьше, но все основные форматы присутствуют. Т.е. в этом плане у Arinst все хорошо - есть все, что нужно для работы.
(И обратите внимание, что интерфейс AVL очень удобно сделан под управление пальцами с применением touchscreen'а).
Теперь давайте посмотрим, что с установками свипирования (рис.5).
Настройки свипирования находятся в пункте меню «Scan». Тут устанавливаются начальная и конечная частоты диапазона свипирования, количество точек измерения и ширина фильтра ПЧ.
Но есть еще и дополнительные настройки:
- электрическая задержка (electrical delay);
- возможность использовать порт-источник как генератор непрерывного гармонического колебания (Continuous wave generation);
- проводить усреднение во временной области (Time average);
- а также можно изменить референсный импеданс системы (Reference resistance), вернее, только его действительную часть, т.е. можно обмерять устройства не только в 50-омном тракте, но и например, в 75-омном.
На мой взгляд, вполне достаточное количество настроек. Правда, хотелось бы иметь возможность проводить измерения с большим количестве частотных точек (скажем, до 5000). Иногда это бывает нужно при измерениях в широком диапазоне частот.
Теперь давайте перейдем в раздел калибровки (пункт меню «Calibration») и посмотрим, что интересного есть тут (рис.6).
На первый взгляд все выглядит стандартно - набор калибровочных мер (Open - Short - Load - Through, т.е. ХХ-КЗ-СН-Перемычка). Все пункты подсвечены зеленым, значит, проведена полная калибровка портов VNA-DL. Кстати, для VNA-DL калибровка «Open - Short - Load» выполняется только для первого порта (Port 1), т.к. только этот порт является активным (портом-источником зондирующего сигнала), а второй порт (Port 2) выступает в роли измерительного приемника.
Обратите внимание, что после проведения калибровки в левом нижнем углу рабочего окна AVL появляется надпись SOL+T, т.е. проведена калибровка «Short - Open - Load» для первого порта и калибровка мерой «Through» для обоих портов.
Относительно недавнее и очень полезное дополнение в меню «Calibration» - возможность добавить файл для своего калибровочного набора (рис.7). Не знаю почему, но описание этой возможности я не нашел в документации [1]. Поэтому остановлюсь на этом пункте немного подробнее.
При нажатии на кнопку «Create calibration Kit File» появляется диалоговое окно (см. рис.7), в котором нужно ввести название для создаваемого калибровочного набора (для примера было введено название Test). После этого в выбранном редакторе (подойдет «Блокнот» или любой аналог) заполняются соответствующие поля. Таких файлов может быть несколько, под разные наборы.
Чтобы повысить точность калибровки, можно добавить файл для имеющегося в наличии калибровочного набора. Например, я использую калибровочный набор от Rohde & Schwarz ZV-Z135. Для этого калибровочного набора есть документация, в которой указаны значения коэффициентов, которые вводятся в соответствующие поля в появившемся на экране шаблоне для калибровочного комплекта (рис.8).
Выполненную калибровку можно сохранить, нажав на кнопку «Save calib to File». Т.е. если в следующий раз измерения проводятся в том же частотном диапазоне (с теми же настройками свипирования) и с той же измерительной оснасткой (кабельные сборки, переходники, адаптеры и т.д.), то можно не проводить процедуру калибровки заново, а просто загрузить калибровочные данные из сохраненного файла, нажав кнопку «Load calib from file». Это очень удобно и экономит массу времени.
Но есть еще более интересный вариант, для таких же ленивых, как и я. Можно создать пресет, в состав которого войдет не только калибровка, но и другие настройки - диапазон частот, количество точек измерения, полоса фильтра ПЧ, форматы графиков, ограничительные линии, маркеры с заданными частотами и другие настройки, которые проводились в процессе работы с прибором.
На рис.8 вы видите именно такой вариант - используется пресет для работы с конкретным фильтром - «Loaded from: 424M 400-450MHz 1000 points…».
Использование пресетов позволяет подготавливать VNA-DL к работе всего за пару кликов мышкой (рис.9). Нужно перейти в раздел меню «Settings» и выбрать требуемый файл пресета (конечно, предварительно необходимо сделать все настройки и сохранить их в файл пресета).
Зато настройки прибора можно сделать только один раз и потом пользоваться готовыми пресетами для различных задач. Такой подход существенно экономит время и упрощает работу.
Кстати, после завершения работы ПО сохраняет все сделанные настройки. И при следующем запуске подгружает эти настройки автоматически. Поэтому если вы, например, на следующий день вернулись к решению той же задачи, которой занимались на кануне, то вам даже не нужно подгружать сделанный пресет — AVL сделает это автоматически после того, как вы подключитесь к VNA-DL. И это тоже очень удобно.
Теперь давайте перейдем к пункту меню «Markers» (рис.10).
Маркеры — очень полезный и нужный инструмент, который позволяет получить значение исследуемой характеристики на заданной частоте. Как вы понимаете, при проведении входного контроля именно использование маркеров позволяет получить нужные значения для коэффициентов отражения (S11) и передачи (S21), чтобы убедиться, что фильтр прошел входной контроль (или не прошел).
Если вы внимательно посмотрите на рис.10, то увидите, что рядом с обозначением каждого маркера (M1, M2, M3,…) есть выпадающее меню. По умолчанию в этом меню выбран пункт «Auto», но на самом деле, можно выбрать любой другой пункт, который будет определять формат данных, отображаемых конкретным маркером (рис.11).
Давайте посмотрим, что тут есть:
Re, Im - действительная и мнимая часть измеряемой величины;
Mag, Phase - модуль (в линейном формате) и фаза измеряемой величины;
Log Mag, Phase - модуль (в логарифмическом формате) и фаза измеряемой величины;
SWR - коэффициент стоячей волны;
Imp. R[Ohm],X[Ohm] - значение активной и реактивной составляющей импеданса;
L[nH]/C[pF] - пересчет реактивных составляющих в эквивалентные индуктивность [нГн] или емкость [пФ] на выбранной частоте;
Adm. G[S],B[S] - значение активной и реактивной составляющей адмитанса (т.е. комплексной проводимости);
Min/Max - поиск минимального/максимального значения на графике.
Очень хороший набор форматов. Я думаю, такой набор подойдет в подавляющем большинстве случаев.
Что интересно, формат отображения маркерных данных можно выбрать любым (главное, чтобы он имел смысл для просматриваемого графика данных), например, см.рис.12.
По умолчанию, на диаграмме Смита маркеры показывают на заданной частоте активную и реактивную составляющую комплексного импеданса и автоматически пересчитывают реактивную составляющую в эквивалентную емкость или индуктивность.
Также на графике отображена окружность с постоянным значением КСВ = 1.8. Это сделано для того, чтобы можно было визуально (не анализируя цифры) оценить — прошел фильтр контроль по КСВ или нет. Но если все-таки возникает необходимость получить численные значения КСВ, то можно, не меняя формат отображения S11, изменить формат отображения информации у маркеров (рис.13).
Теперь на диаграмме Смита маркеры показывают значение КСВ, а не импеданса. Удобно, когда значение КСВ важнее и понятнее, чем комплексный импеданс.
Еще одна удобная фича - возможность изменить масштаб графика (правда, есть не для всех видов графиков), находится в меню «Plots». Для меня, как для очкарика, опция очень удобная, т.к. можно оценить попадание результатов измерения в нужный диапазон даже без очков.
Пункт меню «Traces» также очень полезен, т.к. позволяет сохранить результаты измерения в формат файла touchstone, т.е. в файл S-параметров (рис.15).
При этом нужно помнить, что сам VNA-DL измеряет только S11 и S21, т.е. главную диагональ матрицы рассеяния. И поэтому в файл S-параметров данные записываются, исходя из предположения, что обмеряемое устройство —взаимное, т.е. S21 = S12, S11 = S22.
Поэтому, если вы обмеряете невзаимное устройство (изолятор, циркулятор, усилитель и т.д.), то проводите два измерения - в прямом направлении и в обратном, чтобы получить оценку полной матрицы рассеяния для такого устройства. Возможно, со временем разработчики компании Крокс добавят программную опцию, которая позволит формировать полную матрицу S-параметров для невзаимных устройств.
Также в меню «Traces» можно подгрузить («Load from file») файл S-параметров, полученный при предыдущих измерениях или с помощью другого ВАЦ. Для примера на рис.16 подгружены результаты измерения тестовой печатной платы с запаянным фильтром при разных калибровках VNA-DL.
Синяя линия - это дефолтная калибровка ВАЦ по тем калибровочным мерам, которые используются в AVL по умолчанию. Красная линия - калибровка ВАЦ по файлу для ZV-Z135.
Видно, что калибровка существенно влияет на результаты измерений (о чем мы говорили выше). А также видно, что измерительное приспособление (контактное устройство) по своему влиянию сопоставимо с оснасткой, выполненной на печатной плате (см.рис.17)
Сравнение результатов измерений, сделанных с помощью Arinst VNA-DL и Planar S5085
Конечно, если вы дочитали статью до этого пункта, то у вас появляется вопрос - насколько корректны результаты измерений Arinst VNA-DL? Ведь даже сам производитель, компания Крокс, не позиционирует свой прибор как измерительный. Это резонный вопрос. Давайте я постараюсь на него ответить.
Не хочется лезть в метрологические дебри и превращать обзорную статью на VNA-DL в псевдонаучную публикацию, посвященную точности измерений. Поэтому давайте просто сравним результаты измерений одного и того же образца фильтра с помощью разных приборов - Arinst VNA-DL и Planar S5085 (рис.18).
Planar S5085 — компактный ВАЦ российского производства, внесенный в реестр средств измерений. На момент проведения измерений имеет сертификат о поверке.
Фильтр был обмерен с помощью ВАЦ S5085 и VNA-DL. Результаты измерений были сохранены в файл S-параметров.
Каждый ВАЦ предварительно был откалиброван. VNA-DL был откалиброван с помощью дефолтного набора мер и с помощью калибровочного набора ZV-Z135. S5085 был откалиброван с помощью автоматического калибровочного модуля (ACM2520). Результаты измерений вы можете увидеть на рис.19.
Если смотреть на общий вид графика S21 (рис.19), то разница в измерениях практически незаметна. Поэтому давайте более подробно рассмотрим коэффициент передачи в полосе пропускания (листайте карусель). Видим, что результаты измерений вполне сопоставимы. Да, они не идентичны, но сопоставимы. На самом деле, результаты не будут идентичными даже если мы будем сравнивать замеры на ВАЦ от Planar, Keysight и Rohde&Schwarz — разные приборы, разная реализация математики, разные калибровки и т.д. Но результаты также будут сопоставимы. Аналогичная ситуация и с КСВ. Кстати, меня очень удивило и порадовало, что калибровка на дефолтный набор калибровочных мер дала вполне адекватный результат.
А теперь давайте еще раз вспомним какую задачу мы решали — проведение входного контроля, т.е. нужно было понять, что характеристики исследуемого фильтра выше/ниже неких пороговых значений. Т.е. в ходе проведения оценки характеристик исследуемого фильтра не нужно было измерять эти самые характеристики с как-то невероятно высокой точностью. И эта задача была решена.
На самом деле, сравнение результатов измерений с помощью приборов серии Arinst и приборов других производителей уже неоднократно проводили. Если интересно, посмотрите материалы [3] и [4].
Комментарий по поводу скриншотов в AVL
Пусть вас не смущает, что на некоторых графиках в верхнем правом углу отображается красная иконка «Disconnect» - это сделано для того, чтобы отключить свипирование у прибора при подготовке скриншотов для статьи. Кстати, с помощью AVL очень удобно делать скриншоты для отчетов - нажимаете в верхнем правом углу копку с изображением камеры «Do a screenshot» (рис.20) и получаете в буфер обмена текущий скриншот интерфейса AVL.
Есть при этом один нюанс - все скриншоты, сделанные таким образом, попадают в рабочий каталог AVL (по умолчанию каталог находится по адресу — …AppData\Roaming\Kroks\ArinstVL), в папку «Screenshots». Поэтому если вы увлекаетесь скриншотами, не забывайте регулярно чистить эту папку.
Еще один способ отключить свипирование (более очевидный и понятный) — нажать кнопку «Toggle Scan/Pause» (рис.21).
Думаю, что на этом моменте обзор возможностей VNA-DL в связке с AVL можно завершить. Далее пойдут общие соображения по проделанной работе, некоторые выводы и предложения.
А ради чего все затевалось?
Ради чего все это делалось? Дело в том, что современный бизнес не готов платить огромные деньги за измерительные приборы метрологического класса и месяцами ждать поставку таких приборов. (Измерительный стенд с компактным ВАЦ метрологического класса и автоматическим калибровочным модулем стоит в районе 2 500 000 - 3 000 000 рублей. Как новый автомобиль, например).
Если госкомпании или огромные корпорации могут себе позволить такую роскошь, то частные компании, хорошо посчитав деньги, часто отказываются от такого приобретения и ищут более дешевую альтернативу. Для небольших частных компаний применение приборов серии Arinst часто становится единственной доступной (в финансовом плане) альтернативой.
Цена стенда для проведения входного контроля, описанного в этом материале, составляет чуть менее 70 000 рублей (по состоянию на август 2023 года). Думаю, нет смысла говорить о том, что при такой разнице в цене вам будет очень сложно убедить владельца бизнеса приобрести прибор метрологического класса. Зачем, если есть более дешевая альтернатива, которая может решить такую же задачу?
Некоторые выводы и соображения.
Основное мое опасение при сборке стенда было в том, что прибору не хватит динамики при работе с фильтрами. И я очень рад, что опасения были напрасными и данные в документации на прибор [1] соответствуют действительности. Очевидно, что VNA-DL 1-8800 MHz справился с поставленной задачей. И справился хорошо.
Также хотелось бы сказать о том, какой еще функционал хотелось бы добавить в рабочее ПО:
- Добавить в ПО возможность настраивать цвет фона графиков и линий данных, а также настраивать толщину линий данных. Скажем, добавить возможность делать цвет фона не только черным, но и светло-серым, и белым. Например, как на рис.22.
- Добавить возможность сглаживать графики (например, скользящее среднее) и усреднять их по выборке.
- Добавить возможность выводить на графики допусковый контроль — референсные линии (пороговые значения) и логические условия для них (больше, меньше, равно) при нарушении которых ПО сообщает о том, что исследуемый образец ЭРИ не прошел контроль.
На этом у меня пока всё. По мере появления новых материалов, мыслей и идей буду корректировать статью.
Информационные материалы:
- Руководство пользователя на двухпортовый векторный анализатор цепей Arinst VNA-DL 1-8800 MHz;
- Arinst VNA-DL 1-8800 MHz на официальном сайте компании Крокс;
- Сравнительный обзор портативных СВЧ приборов Arinst vs Anritsu;
- Краткий обзор российских рефлектометров ARINST VR 23 — 6200 и CABAN R60;
- Измерение характеристик двухпортового устройства с помощью Arinst VR 23 — 6200;
- Измерение КСВН широкополосной планарной антенны с помощью Arinst VR 23 — 6200;
- ФП3П7-509-424М;
- Чат по приборам серии Arinst в Телеграм - t.me/arinst_first;
- Официальный канал по приборам серии Arinst в Телеграм - t.me/arinstofficial