Parametri S

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DEL SANNIO
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea Specialistica in
Ingegneria delle Telecomunicazioni
Corso di Misure su Reti di Telecomunicazioni
Tesina
I parametri S e strumentazione di misura
Professore:
Pasquale Daponte
Candidati:
Tiziana Beltramonte
Assunta De Vita
Raimondo Di Iorio
Laura Lanni
Antonio Panaggio
Tutor:
Gioacchino Truglia
Anno accademico 2003/2004
Sommario

Caratterizzazione di una rete
> I parametri H
> Richiami sulle linee di trasmissione
> I parametri S

La carta di Smith

Analizzatore di rete

Strumentazione virtuale: interfaccia strumento con LabView

Risultati ottenuti
Caratterizzazione di una rete
•
•
•
I parametri H
Richiami sulle linee di trasmissione
I parametri S
Caratterizzazione di una rete


Variabili indipendenti
Variabili dipendenti
eccitazioni
risposte
Caratterizzazione di una rete
> Parametri H, Y, Z
Parametri H
Parametri Y
V1  h11I1  h12V2
I1  y11V1  y12V2
I 2  h21I1  h22V2
Parametri Z
V1  z11I1  z12 I 2
V2  z 21I1  z 22 I 2
I 2  y21V1  y22V2
Caratterizzazione di una rete
>Parametri H


Variabili indipendenti: corrente porta 1 tensione porta 2
Variabili dipendenti: tensione porta uno e corrente porta 2
V1
h11 
I1
V2  0
V1
h12 
V2
I1 0
Caratterizzazione dei circuiti - alte frequenze

Difficoltà nella misura di tensione e corrente

Difficoltà nel realizzare circuiti aperti e chiusi in
un ampio range di frequenze

Possibilità di distruzione dei componenti attivi

λ paragonabile con le dimensioni del circuito:
parametri distribuiti
Caratterizzazione di una rete
>Richiamo sullo linee di trasmissione
Soluzioni di tipo viaggiante
I(l)
+
V(l)
Z0
Zl
z
l
0
 V l   V  e  j l  V  e j l





V
V
 I l  
e  j l 
e j l

Z0
Z0
Caratterizzazione di una rete
>Richiamo sullo linee di trasmissione: coefficiente di riflessione
V  exp  jz 
V z   
 V 0exp 2 jz 
V exp  jz 
In particolare il coefficiente di riflessione per l=0 è:
V  Z L  Z0
0   
Z L  Z0
V
Caratterizzazione di una rete
Parametri S


Descrizione dei parametri circuitali di una rete
Caratterizzazione di una rete a due porte
rete a due porte
Caratterizzazione di una rete
I parametri S: determinazione della matrice di scattering
 alte frequenze
matrice di scattering
variabili indipendenti
Caratterizzazione di una rete
> I parametri S: le misure
Equazioni lineari che descrivono il
quadripolo:
 b1  S11  a1  S12  a 2


b2  S 21  a1  S 22  a 2
rete a due porte connessa al generatore e al
carico
In forma matriciale:
 b1 
 a1 
   S   
 b2 
 a2 
Caratterizzazione di una rete
> I parametri S: le misure

Determinazione dei parametri S11e S21:
b1
V1
S11 
 
a1 a2  0 V1
b2
V2
S 21 
 
a1 a 2  0 V1
Con a2=0 ZL=Z0
Considerando l’espressione di S11 :
S11
V1
 Z0
Z  Z0
b
I
 1  1
 1
V1
a1
Z1  Z 0
 Z0
I1
Z1  Z 0
(1  S11 )
(1  S11 )
con
Z1 
V1
I1
La Carta di Smith
La Carta di Smith
Cenni Storici
• Prima della Carta di Smith…..
Risoluzione a mano delle equazioni della teoria delle
microonde
• Nel 1936…..
P. Smith (Bell Labs) elaborò una carta circolare che
vendette, entro il 1975, circa 9.000.000 di copie
La Carta di Smith



Mapping tra 2 piani complessi (Z e ).
Sfrutta un diagramma circolare costituito da 2
serie di circonferenze tramite cui determinare
la Z di una TL in ogni suo punto
Possibilità di calcolare  e Z:
1 
Z  R  jX 
1 
Z  1 ( R  1)  jX


Z  1 ( R  1)  jX
La Carta di Smith
Curve a X
costante
Curve a R
costante
Prima serie di cerchi :

centro sull'asse orizzontale

punti della TL con Z (o Y) a parte reale costante.
Seconda serie di cerchi :

centro sulla retta perpendicolare al diametro orizzontale

punti della TL con Z (o Y) a parte immaginaria costante.
La Carta di Smith
La Carta di Smith
Carta delle
Impedenze/ Ammettenze
La carta converte, a vista,
una Z nella corrispondente Y:
basta ruotarla di 180 …
Blu – Carta delle impedenze
Rosso – Carta delle ammettenze
La Carta di Smith
Carta delle Impedenze/ Ammettenze
La Carta di Smith
Muoversi sulla Carta di Smith
Sul bordo esterno della carta sono rappresentati
gli angoli e gli spostamenti lungo la TL, usando
come misura la lunghezza d'onda ()
2 possibili versi di rotazione:


orario (verso il generatore);
antiorario (verso il carico).
La Carta di Smith
 ~ 50°
Calcolo del 
Z0 = 50 ;
ZL= 60 + j 70 
|| ~ 0.3
La carta di Smith



Rappresentazione grafica diretta, nel piano
complesso, del coefficiente di riflessione.
Utilizzata sia per calcolare sia l’impedenza che
l’ammettenza di una TL.
Adattamento di una TL tramite una semplice
relazione grafica tra Z e Γ.
Analizzatori di rete
Analizzatori di spettro e di rete
Osservazione del segnale elettrico:
- dominio del tempo (oscilloscopio);
- dominio della frequenza (analizzatore
di spettro).
VANTAGGI: ad es. valutazione grado di
purezza di un’onda sinusoidale
Analisi armonica delle forme d’onda
Analizzatori di spettro e di rete
 analizzatori di segnale (Spectrum Analyzers);
• analizzatori di circuito (Network Analyzers).
Network Analyzer
Rete a due porte (di ingresso e di uscita)
- Stesso principio dell'analisi in frequenza;
Procedimento:
• invio di una sinusoide in ingresso al DUT
• misura di ampiezza e fase dell’uscita
• modifica della frequenza dell’ingresso
• misura di ampiezza e fase dell’ uscita (in modo iterativo
in automatico).
Schema di funzionamento del dispositivo
per la misura dei parametri S
collegamento
S- Parameter Test set
Procedura per la misura
Fase 1 : INIZIALIZZAZIONE
DELL’ANALIZZATORE

[Preset]

[Meas Type] [Swept Network]
Fase 2: SPECIFICA DEI PARAMETRI DI MISURA

[Freq] [Start] <num> <unit>, [Stop] <num>
<unit>
Fase 3 : CALIBRAZIONE DELLA MISURAZIONE

Collegamento diretto tra la PORTA 1 e la PORTA 2

[Meas Type] [Meas Calibrate] [S21 CAL] [PORT 1> 2 THRU]
Fase 4 : MISURAZIONE DEL DUT

Si è sostituito il corto circuito con il DUT

[Port 1 Ref Dut]

[S21 Cal Done]

[Meas Restart]
Fase 5: CONFIGURAZIONE DEL DISPLAY

[Scale] [Autoscale]
Strumentazione Virtuale
Collegamento
PC-Analizzatore di rete
Strumentazione Virtuale
• Computer ad alte prestazioni e
basso costo
• Sviluppo del SW e
interfacce grafiche
“STRUMENTI VIRTUALI”
Strumentazione Virtuale
I componenti essenziali di uno strumento virtuale :
 un computer con un monitor;
 un SW ;
 uno o più strumenti di misura;
 un bus per la connessione strumenti - computer.
Bus

RS - 232: basso costo e limitate prestazioni in
termini di velocità;

IEEE 488: attualmente il più diffuso;

VXI: migliori prestazioni ma scarsa diffusione
per costo eccessivo
RS-232
Modalità di TX seriale nel collegamento tra unità
centrale e periferiche (modem, mouse, ecc..)
Schema di una connessione tra un calcolatore e due periferiche.
IEEE 488
Sviluppato nel 1965 dalla HP come "HP Interface Bus"
- HP-IB - per fornire un'interfaccia standard per la
comunicazione tra gli strumenti.
Successo tale da indurre la IEEE a pubblicare nel 1975
uno standard (IEEE 488) rinominando il bus GPIB General Purpose Interface Bus.
Altre versioni dello standard fino al 1987 con la
definizione delle IEEE 488.1 e IEEE 488.2.
IEEE 488
24 linee per la TX in parallelo
di un byte ad una velocità max
di 1 Mbyte/s.
IEEE 488
Diverse tipologie di collegamento:
• a stella (strumenti connessi direttamente al controller);
• a catena (solo il primo strumento è collegato al controller);
• mista.
Strumentazione Virtuale
VXI
(VME bus extension for instrumentation)
Assemblare degli strumenti di misura
Frame VXI con backplane (equivalente alla scheda madre
di un computer) sul quale inserire vari strumenti.
Schema di un frame VXI
con 4 moduli inseriti
Strumentazione Virtuale
Progetto e realizzazione di uno
strumento virtuale
LabView
Programma molto diffuso per la gestione dei sistemi di
acquisizione dati, è stato usato per la realizzazione dello
strumento.
- Specifico per la realizzazione di sistemi di misura.
- Dotato di librerie per la gestione remota di diverse centinaia
di strumenti tramite interfaccia GPIB (IEEE 488)
- Programmi preconfezionati per analisi ed elaborazione dei
segnali acquisiti, analisi statistica, interpolazione, filtraggio, ecc..
LabView: Elementi
fondamentali
Elementi fondamentali per la definizione di uno strumento
virtuale:


Il pannello frontale : interfaccia con l’utente
Il diagramma a blocchi : cuore dello strumento e stabilisce
come i vari dati (segnali acquisiti, parametri interni, variabili di
controllo impostate dall’operatore, ecc.) debbano interagire tra
loro per conseguire il risultato finale.
Descrizione dell’apparato
sperimentale
Il SW per il controllo della strumentazione e dell’analisi dei dati è stato
realizzato utilizzando:
- LabView 6.0 installato su di una macchina con sistema operativo Windows XP
con CPU P4 1700MHz, 128Mbit di RAM; - una scheda d’interfaccia GPIB
(General Purpoise Interface Bus IEEE 488).
HP3589A
HP35689A/B
GPIB 488
L’interfaccia Labview per
l'analizzatore di spettro HP 3589A
Schema a blocchi
[-1.30E+000,+3.56E-001,+3.30E-002]
Remote 719
Trace:data
[-1,30E+000 +3,56E-001 +3,30E-002]
Trac2:Data?
[-1.30E+000 +3.56E-001 +3.30E-002]
Esperienza di laboratorio
Dopo una prima fase di realizzazione del SW di
strumentazione virtuale, si è proceduto ad acquisire i
parametri caratteristici di una rete, o meglio i parametri S.
Nel nostro caso si è valutato il solo parametro s21 (f.d.t.)
poiché il circuito è reciproco quindi s12=s21.
Circuito testato
Lo schema circuitale da testare
Il nostro DUT
Schema di collegamento
Risposta lineare del circuito in
un range 100 KHz-150 MHz
Risposta lineare del circuito in
un range 100 KHz-150 MHz
Sviluppi futuri

Sviluppo futuro dell’interfaccia grafica
con l’inserimento delle funzioni più
comuni di un analizzatore di spettro e di
rete.