Mühendislik zordur. RF mühendisliği daha da zordur. Karmaşık kavramlar, tonlarca terminoloji - aşırı bilgi yüklemesi. En basit soruların bile karmaşık cevapları vardır, bu da öğrenmeye nasıl başlanacağını bilmeyi zorlaştırır.
Bu blog serisinin ikinci bölümüne hoş geldiniz! Bu serinin her blogunda, birbiriyle ilişkili, yaygın VNA sorularına küçük cevaplar bulabileceksiniz. Bu yazıda cihaz doğrusallığına bir göz atacağız.
Doğrusal dediğimiz pasif cihazlar
Peki, "doğrusal" bir cihaz nedir? Çünkü doğrusal olduğunu bildiğimiz tek şey... bir çizgidir, değil mi? Eğiminiz "m", "x" değeriniz ve y-kesişiminiz "b" olsun (Şekil 1). Çok basit. Doğrusal olduğunu bildiğimiz bir başka şey de dirençtir. Bunu biliyoruz çünkü matematik ve grafikler de bunu doğruluyor.
Şekil 1: Doğru denklemi bize doğrusal bir ilişkinin neye benzemesi gerektiğini söyler.
Bir direnç için karakteristik denklem eski, güvenilir Ohm Yasasıdır, V = IR. Ohm Yasasının çizgi denklemimize uyduğunu görmek için biraz aritmetik yapacağız (Şekil 2).
Şekil 2: Küçük bir aritmetik işlemle Ohm Yasasının doğru denklem formatına uyduğunu görebiliriz.
Grafiğini çizdiğimizde, direnç davranışının IV eğrisi veya DC doğrusal yanıtı düz bir çizgi izler (Şekil 3).
Şekil 3: Bir DC direnç devresinde gerilim ve akım arasındaki doğrusal ilişki.
Değişken voltaj kaynağı olan bir direnç veya bir AC devresi, giriş frekansından bağımsız olarak voltaj ve akım arasındaki bu doğrusal ilişkiyi korur (Şekil 4). Her şey temiz görünüyor.
Şekil 4: Gerilim ve akım izlerinin fazda olduğunu gösteren bir direnç için AC devre yanıtı.
Peki "doğrusal" dediğimiz şey nedir biliyor musunuz?
Kondansatörler ve indüktörler. Bu nasıl bir anlam ifade ediyor? Elbette bunlar pasif cihazlardır. Bu, fiziksel özelliklerine (boyutları, malzemeleri) bağlı olarak öngörülebilir performansa sahip oldukları anlamına gelir. Bunu anladım. Ancak karakteristik denklemlerine ve grafiklerine baktığımızda, onları nasıl "doğrusal" olarak değerlendirebiliriz?
Şekil 5: Kondansatör ve indüktör karakteristik denklemleri.
Birdenbire kalkülüs dersine girdik, çünkü bu türevler birdenbire ortaya çıktı (Şekil 5). DC analizine baktığımızda kafa karışıklığı devam ediyor. Zaman = 0'da kondansatör kısa devre gibi davranır, ancak daha sonra hiçbir akım akmayana ve sadece açık devre gibi davranana kadar hızla şarj olur (Şekil 6).
Şekil 6: Kondansatör DC geçici tepkisi, bir anahtar henüz kapatılıp açıldıktan sonra gerilim ilişkisindeki akımı göstermektedir.
Benzer şekilde, t = 0'daki indüktör akım akmayan bir açık devre gibi davranır, ancak zaman geçtikçe kısa devre gibi davranmaya başlar (Şekil 7). Gördüğünüz gibi, bu düz bir çizgi çizmez.
Şekil 7: Bir anahtar kapatıldıktan hemen sonra ne olduğunu gösteren indüktör DC geçici yanıtı.
Bir AC devresine baktığımızda da işler daha iyi gitmez. Akım ve gerilimin tamamı faz dışıdır (Şekil 8). Peki, doğrusallık nerede? Neler oluyor?
Şekil 8: Değişken bir kaynak verildiğinde gerilim ve akım arasındaki ilişkiyi gösteren indüktör AC devre yanıtı.
Bir cihazı doğrusal yapan nedir?
Sizi bu bileşen kavramlarını ilk öğrendiğimde yaşadığım tüm kafa karışıklığı, kalp ağrısı ve kargaşadan kurtarmak için size anlatacağım. Keşke bilseydim dediğim ilk şey, bir ilişkinin doğrusal olmasının onun basit olduğu anlamına gelmediğidir. Karakteristik denklemlere bir kez daha göz atalım.
Direnç için denklem formatını değiştirerek, direnç verildiğinde akım ve voltaj arasındaki ilişkinin sadece direncin tersi kadar bir ölçeklendirme faktörü olduğunu gösterdik. Bu fonksiyon DC yanıtı için 1 / R eğimli bir çizgi çizer (Şekil 9). Gerilim ve akım arasındaki ilişki zamana bağlı olmadığından direncin frekans tepkisi sabittir (Şekil 4). Tüm bunlar oldukça basittir. Kondansatörler ve indüktörlerin gerilim-akım ilişkileri bu kadar basit değildir, ancak yine de doğrusaldırlar.
Şekil 9: Akım ve gerilim arasındaki ilişki, direnç göz önüne alındığında doğrusaldır.
İndüktörleri ve kapasitörleri daha korkutucu ve karmaşık hale getiren şey, zamana bağlı olmalarıdır. Dolayısıyla, iki sabit arasındaki ilişkiyi tanımlayan karakteristik denklemler yerine, kapasitör ve indüktör denklemleri bir sabit ile bir değişim oranı arasındaki ilişkiyi tanımlar. Ancak bu ilişkinin doğası hala doğrusaldır. Aslında, dirençlere benzer şekilde bir kondansatör için, akım ve voltaj değişim oranı arasındaki ilişki C eğimli bir doğru olarak grafiklenir (Şekil 10).
Şekil 10: Direnç verildiğinde gerilim ve akımın değişim oranı arasındaki ilişki doğrusaldır.
Benzer şekilde, bir indüktör için, akımın zamana göre türevine karşı voltajın grafiği L eğimli bir doğru ile sonuçlanır (Şekil 11).
Şekil 11: Gerilim ile akımın değişim oranı arasındaki ilişki doğrusaldır.
Bu cihazlar için AC devre tepkisine baktığımızda, direnç, kapasitör ve indüktör için gerilim ve akım arasındaki ilişkinin sabit olduğunu daha net görürüz. O zaman fazda neler oluyor? Direncin AC yanıt izleri zamana bağlı olmadığı için faz içi iken (Şekil 4), kapasitör ve indüktör yanıtları için iki iz arasındaki fazdaki kayma zamana bağlı bir ilişkiyi gösterir. Kondansatör yanıtında gerilim akımın gerisinde kalmaktadır. Bu mantıklıdır çünkü kondansatör gerilimdeki bir değişikliğe direnç gösterir (Şekil 12). İndüktör akımdaki bir değişikliğe direnç gösterir ve şaşırtıcı olmayan bir şekilde akımın voltajı geciktirdiğini görürüz (Şekil 8). Gerilim ve akım arasındaki ilişki fazdan bağımsız olarak hala doğrusaldır.
Şekil 12: Bir kondansatörün AC devre tepkisi, gerilim ve akım ilişkisinin zamana bağımlılığını gösterir.
Bilmek istediğim ikinci şey ise neden bir bileşenin davranışını "doğrusal" olarak sınıflandırmayı önemsediğimizdir? Bu neden önemli? Bunu internette araştırırsanız, bulabileceğiniz açıklama, bileşen davranışını "doğrusal" olarak tanımlamanın önemli olduğudur çünkü bize davranışın matematiksel olarak deterministik olduğunu söyler. Bu "kapalı form "dur. Temel olarak, bana bir direnç üzerindeki voltajı veya bir kondansatör üzerindeki voltajın değişim oranını söylerseniz, her birinden geçen akımı hesaplayabilirim. Aynı şey indüktörler için de geçerlidir - eğer bana akımın değişim oranını söylerseniz, ben de size voltajı söyleyebilirim.
Bu önemlidir çünkü değerlendireceğimiz bileşen özelliklerini veya beklentilerini oluşturmamızı sağlar. Doğrusal elemanlardan yapılan devreleri tam olarak çözebiliriz. Dolayısıyla, bir bileşeni doğrusal olarak sınıflandırmak, bu bileşenin her senaryodaki davranışını matematiksel olarak tahmin edebileceğimiz anlamına gelir ve bu da sistem tasarımlarımızın kararlılığını etkiler. Ancak, bu cevap doğru olsa da, hikayenin tamamı bu değildir. Yani, bir grup doğrusal olmayan cihazı değerlendirebilir ve bu şekilde doğrusal olmayan davranış da dahil olmak üzere doğru bir davranış profili elde edebiliriz.
Pratikte, cihaz davranışını "doğrusal" ve "doğrusal olmayan" olarak sınıflandırmaya özen göstermemizin asıl nedeni, girdi ve çıktı arasındaki ilişkinin doğru orantılı olup olmadığını veya oyunda ek faktörler olup olmadığını bilmemiz gerektiğidir. Çıktıyı etkileyen başka faktörler varsa, davranışını doğru bir şekilde anlamak için cihazımızı bu koşullar altında test etmemiz gerekir.
Bu, cihazları "pasif" veya "aktif" olarak tanımlamak için kullanılan mantıkla aynıdır. Pasif bir cihaz tarafından üretilen çıktı, giriş sinyali ve pasif cihazın içsel özellikleri tarafından yönetilir - yine boyutlar, malzemeler ve diğer şeyler. Öte yandan aktif cihaz davranışı, giriş sinyali ve malzemelerin yanı sıra dahili transistörün çalışma koşullarına da dayanır. Aktif cihazları "önyargılı" hale getirebiliriz, bu da temelde daha rafine bir çalışmaya sahip olmaları için ince ayar yapabileceğimiz anlamına gelir. Yine, test mühendisleri daha fazla değişkeni hesaba katmalıdır. Ne kadar çok değişkeni hesaba katarsanız, testinizin o kadar sağlam olması gerekir.
Tüm pasif cihazlar doğrusal mıdır?
Eğer tüm aktif cihazlar doğrusal olmayan şekilde davranıyorsa, o zaman tüm pasif cihazlar doğrusal şekilde mi davranır? "Pasif" ve "doğrusal" gereksiz terimler midir? Bir cihazı "pasif" olarak adlandırmak ile "doğrusal" olarak adlandırmak aynı anlama mı gelir? Tüm aktif cihazların belirli bir güç seviyesinden sonra doğrusal olmayan şekilde davrandığı doğru olsa da, aynı prensip pasif cihazlar için de geçerlidir. Aradaki fark, aktif cihazların doğrusal olmayan davranışa geçmek için daha az sinyal gücüne ihtiyaç duymasıdır. Daha duyarlıdırlar.
Nadiren de olsa, pasif cihazların doğrusal olmayan davranışları yeterince yüksek güç aldıklarında ortaya çıkar. Örneğin pasif bir filtre, dielektriğini değiştirecek veya indüktörünü doyuracak kadar yüksek güçle çalıştırıldığında doğrusal olmayan şekilde davranır.
En yaygın pasif elemanlar için, doğrusal olmayan şekilde hareket etmelerini sağlayacak kadar fazla güçle zorlamanın bileşene zarar vereceğini veya onu tahrip edeceğini unutmayın. Arızalı veya hasarlı pasif cihazlar veya korozyon nedeniyle bakıma ihtiyaç duyanlar da doğrusal olmayan şekilde davranabilir. Bununla birlikte, köşe durum pasif ağları standart pasif bileşenlerden daha kolay doğrusal olmayan davranış gösterir, bu nedenle bunları test ederken özellikle dikkatli olunmalıdır.
Örneğin ferrit çekirdekler kullanan indüktörlerle uygulanan filtreler, tel aşırı güçten erimeden çok önce çekirdek malzemenin doğal doğrusal olmayan özellikleri nedeniyle doğrusal olmayan şekilde davranır. Bir başka örnek de pasif intermodülasyon distorsiyonudur (PIM). Baz istasyonu operatörleri, baz istasyonu anten beslemelerinde pasif IMD için test yaparlar. Bu durumda test edilen cihaz, birbirine benzemeyen iki metal arasındaki bağlantıdır. Bu iki farklı metal, PIM'e neden olan bir diyot etkisine neden olur. PIM'i gözlemlemek için çok fazla güç gerekir, ancak besleme hatlarına zarar verecek kadar değil.
Açıklamak gerekirse, "doğrusal" ve "doğrusal olmayan" terimleri cihazın davranışını tanımlar. Mühendisler cihaz davranışını giriş ve çıkış sinyallerini karşılaştırarak belirler. Bir bileşeni "pasif" veya "aktif" olarak adlandırmak, o bileşenin dahili çalışmasını tanımlar. Bir cihazın dahili çalışması, giriş ve çıkış portları arasında gerçekleşen her şeyi içerir.
Cihazınızın davranışsal doğrusallığı ağ analizini nasıl etkiler?
Pasif bileşenlerin karakterize edilmesinde, aktif bileşenlerin karakterize edilmesine kıyasla daha az değişken söz konusudur. Bu, cihazları karakterize etmek için gereken ağ analizörlerinin ve yazılım uygulamalarının daha basit olduğu anlamına gelir. Pasif cihazlarla çalışırken, mühendislerin doğrusal olmayan davranışı test etmeleri, bozulma için sofistike kompanzasyon teknikleri kullanmaları veya öngerilimleme yoluyla çalışma bölgesini optimize etmeleri gerekmez.
Bu liste, pasif cihaz karakterizasyonu konusunda uzmanlaşmış VNA'lara genel bir bakış sağlar:
|
Product Family
|
Product Sub-Family
|
# Ports
|
Max Frequency
|
Description
|
|
Streamline USB VNA
|
P937xA
|
2
|
26.5 GHz
|
Basic passive device tests up to 26.5 GHz on a compact network analyzer with a USB 3.0 interface.
|
|
Streamline USB VNA
|
P93xxB
|
2, 4
|
44 GHz, 20 GHz
|
Basic passive device tests up to 44 GHz on a compact network analyzer with a Thunderbolt 3 interface.
|
|
ENA VNA
|
E5061B
|
2
|
3 GHz
|
Fundamental passive device test up to 3 GHz, low-frequency measurements down to 5 Hz, and impedance analysis capabilities on a benchtop network analyzer.
|
|
ENA VNA
|
E5063A
|
2
|
18 GHz
|
Basic passive device tests up to 18 GHz on a benchtop network analyzer.
|
|
PXI VNA
|
M937xA
|
>4
|
26.5 GHz
|
Multiport passive device tests up to 26.5 GHz on modular PXI network analyzer.
|
|
PNA VNA
|
PNA-L
|
2, 4
|
50 GHz, 20 GHz
|
Basic passive device tests up to 50 GHz on a benchtop network analyzer.
|
Dikkate alınması gereken daha fazla değişken olduğundan, aktif cihazlar darbeli RF, gürültü figürü, bozulma ve EVM ölçümleri gibi daha sağlam testler gerektirir. Aktif cihazlar daha kolay doğrusal olmayan davranış sergilediğinden, aktif cihaz karakterizasyonu için en iyi ağ analizörleri bozulma ve bozulma telafisi analiz yeteneklerine ihtiyaç duyar.
Bu liste, aktif cihaz karakterizasyonu konusunda uzmanlaşmış VNA'lara genel bir bakış sağlar:
|
Product Family
|
Product Sub-Family
|
# Ports
|
Max Frequency
|
Description
|
|
Streamline USB VNA
|
P50xxA
|
2, 4, 6
|
53 GHz, 20 GHz
|
Basic active and passive device tests up to 53 GHz on a compact network analyzer with a USB 3.0 interface.
|
|
Streamline USB VNA
|
P50xxB
|
2, 4, 6
|
53 GHz, 20 GHz
|
Basic active and passive device tests up to 53 GHz on a compact network analyzer with a Thunderbolt 3 interface.
|
|
ENA VNA
|
E5080B
|
2, 4
|
53 GHz
|
Basic active and passive device test up to 53 GHz on a benchtop network analyzer.
|
|
PXI VNA
|
M983xA
|
>4
|
20 GHz, 44 GHz
|
Multiport active and passive device test, distortion analysis, and EVM up to 44 GHz on modular PXI network analyzer.
|
|
PXI VNA
|
M980xA
|
>4
|
20 GHz, 53 GHz
|
Multiport active and passive device test up to 53 GHz on modular PXI network analyzer.
|
|
PNA VNA
|
PNA
|
2, 4
|
67 GHz
|
High-performance active and passive device tests, distortion analysis, and EVM up to 67 GHz on a benchtop network analyzer.
|
|
PNA VNA
|
PNA-X
|
2, 4
|
67 GHz
|
Most integrated high-performance active and passive device tests, distortion analysis, and EVM up to 67 GHz on a benchtop network analyzer.
|
Sonuç:
İlk bakışta, kapasitörler ve indüktörler dirençlerle doğrusal özellikleri paylaşmıyor gibi görünmektedir. Bununla birlikte, karakteristik denklemlere biraz daha yakından bakıldığında, her üç bileşenin de bağımsız değişkenin sabit veya türev olup olmadığına bakılmaksızın bağımsız değişkenlerini basitçe ölçeklendirdiği ortaya çıkar. Dolayısıyla, her üç bileşen de aslında doğrusal, pasif cihazlardır.
Bugün burada öğrendiklerinizi beğendiyseniz, diğer mühendislik konuları hakkında bilgi edinmek için RF Explained videolarımıza göz atmayı unutmayın. Daha derinlemesine, ücretsiz eğitim kaynakları istiyorsanız, mühendislikle ilgili her şey için çevrimiçi eğitim platformumuz olan Keysight University'ye göz atabilirsiniz.
