נתח רשת

נתח רשת (באנגלית: Network Analyzer) הוא מכשיר מדידה המודד את פרמטרי הרשת של רשתות חשמליות. באמצעותו ניתן לאפיין התקנים המחוברים בין הדקיו, כגון: מגברים, ערבלים, מסננים, דיפלקסרים, אנטנות וכבלי תמסורת.

רקע כללי
נתחי רשת לרוב משמשים בעיקר במדידות בתדרים גבוהים. תדרי הפעולה של המכשירים נעים בין 1Hz ל-1.5THz. ישנם סוגים מיוחדים של נתחי רשת המסוגלים לכסות גם טווחי תדרים נמוכים יותר מ-1Hz. נתחי רשת אלה יכולים לשמש למשל לניתוח יציבות של לולאות פתוחות או למדידת רכיבי שמע ואולטרה סאונד.

סוגים ומאפיינים
שני הסוגים הבסיסיים של נתחי רשת הם:
נתח רשת סקלרי (SNA) - מודד מאפייני משרעת בלבד
נתח רשת וקטורי (VNA) - מודד מאפייני משרעת ופאזה
VNA הוא סוג של נתח רשתות הנמצא בשימוש נרחב ליישומי תכנון RF. נתח מסוג VNA נקרא גם לעיתים Gain-Phase Meter או נתח רשת אוטומטי. נתח מסוג SNA זהה פונקציונלית לנתח תדרים (Spectrum Analayzer) משולב עם מחולל אותות מסונכרן (Tracking Generator). החל משנת 2007, נתחים מסוג VNA מהווים את הסוג הנפוץ ביותר של נתחי רשת. היצרניות הבולטות של VNA בעולם הן: Keysight, Anritsu, Rohde & Schwarz, Copper Mountain Technologies and OMICRON Lab.

סוגים נוספים של נתחי רשת הם (microwave transition analyzer (MTA או (large signal network analyzer (LSNA, המודדים את המשרעת ואת הפאזה של התדר היסודי וכן של ההרמוניות שלו.

מבנה נתח הרשת
הארכיטקטורה הבסיסית של נתח רשת כוללת מחולל אותות, ערכת בדיקה, מקלט אחד או יותר וצג. לרוב הנתחים מסוג VNA ישנם שני פורטים לבדיקה, המאפשרים מדידה של ארבעת פרמטרי S (שהם , ,  and ). קיימים מכשירים המכילים יותר משני פורטים.

מחולל האותות
על מנת לבצע את מדידות, נתח הרשת זקוק לאות בדיקה. מחולל אותות מסוגל לייצר אות כזה. לנתחי רשת ישנים יותר לא היה מחולל אותות משלהם, אך הייתה להם יכולת לשלוט על מחולל אותות חיצוני (למשל דרך חיבור GPIB). כמעט לכל נתחי הרשת המודרניים יש מחולל אותות מובנה. נתחי רשת בעלי ביצועים גבוהים כוללים שני מקורות אות מובנים. שני מקורות מובנים שימושיים עבור יישומים כמו בדיקת ערבל (mixer) כאשר מקור אחד מספק את אות ה- RF והמקור הנוסף את אות ה- LO או בדיקת אינטרמודולציות במגבר על ידי הזרקת שני אותות קרובים בתדר.

ערכת בדיקה
מערך הבדיקה לוקח את פלט מחולל האות ומנתב אותו למכשיר הנבדק, ואת האות הנבדק (העובר או המוחזר מהמכשיר) הוא מנתב למקלטים. מערך הבדיקה לרוב מכיל פיצול של פלט מחולל האות לערוץ ייחוס. בנתח מסוג SNA לרוב ערוץ הייחוס עובר לגלאי דיודה (מקלט) שהפלט שלה עובר ל- ALC (מנגנון הבקרה האוטומטי) של מחולל האותות. הדבר מאפשר שליטה טובה יותר בפלט מחולל האותות ושיפור בדיוק המדידות. בנתח מסוג VNA, ערוץ הייחוס עובר למקלטים והוא משמש כנקודת ייחוס לפאזה. לצורך פיצול האותות משתמשים לרוב במצמדים כיווניים או במפצלי הספק.

מקלט
המקלטים מבצעים את מדידות האותות. לנתח רשת יש מקלט אחד או יותר המחוברים לפורטי הבדיקה שלו. פורט הייחוס לרוב מסומן כ- R, ופורטי הבדיקה העיקריים מסומנים כ- A, B, C וכו'. בחלק מהנתחים יהיה מקלט נפרד לכל פורט בדיקה, אמנם קיימים נתחים אשר חולקים מקלט אחד או שניים בין הפורטים. מקלט פורט הייחוס R עשוי להיות פחות רגיש מהמקלטים המשמשים בפורטי הבדיקה.

עבור נתח מסוג SNA, המקלט מודד רק את משרעת האות. מקלט כזה יכול להיות למשל דיודת גילוי הפועלת בתדר הבדיקה. עבור נתח מסוג VNA, המקלט מודד את משרעת האות ואת הפאזה. מקלט כזה זקוק לערוץ ייחוס (R) כדי לקבוע את הפאזה, כך ש- VNA זקוק לשני מקלטים לפחות אך לחלקם יהיו שלושה או ארבעה מקלטים על מנת לאפשר מדידה בו זמנית של פרמטרים שונים.

מעבד ותצוגה
המידע על האותות הנקלטים במקלטים ותוצאות המדידות מעובדים ומוצגים על גבי צג לצורך ניתוח. חלקם מוצגים בצורת נתונים וערכים וחלקם בצורה גרפית. מרבית נתחי רשתות ה- RF משלבים יכולות אפשרויות כגון: linear and logarithmic sweeps, linear and log formats, polar plots, Smith charts, Trace markers, limit lines and pass/fail criteria.

אופן פעולה
נתח הרשת מודד את מאפייניה של מערכת (רשת חשמלית) באמצעות הזרקת אות עירור ידוע למבואה, ומדידת תגובת המערכת לאותו האות.
נתח רשת וקטורי מודד את מקדמי הפיזור (פרמטרי S) של הרשת על ידי שידור אות גל רציף (CW) ידוע ומדידת האמפליטודה והפאזה שלו בפורטים הנבדקים.
מתוך יחס הגלים המתקבל בכל פורט הנתח מחשב את מקדמי הפיזור.

התרשים מציג את החלקים החיוניים של נתח רשת וקטורי טיפוסי עם 2 פורטים לבדיקה (VNA). שני הפורטים של המכשיר הנבדק (DUT) מסומנים פורט 1 (P1) ופורט 2 (P2). אל הפורטים מחוברים זוג מתאמים A1 ו- A2 אליהם מחוברים כבלים PC1 ו- PC2 בהתאמה.

אות הבדיקה נוצר על ידי מקור CW בתדר משתנה ועוצמתו נקבעת באמצעות מנחת משתנה. חיבור המתג SW1 מגדיר את הכיוון שעובר אות הבדיקה דרך ה- DUT. כאשר SW1 נמצא במצב 1 אות הבדיקה מתקדם לתוך ה- DUT דרך P1 וכך ניתן למדוד את הפרמטרים  ו- . אות הבדיקה מועבר על ידי SW1 לפורט של מפצל 1, זרוע אחת (ערוץ הייחוס) מעבירה את האות למקלט הייחוס עבור פורט 1 (RX REF1) והזרוע השנייה (ערוץ הבדיקה) מתחברת ל- P1 דרך מצמד כיווני DC1. אות הדגימה מהמצמד משקף את ההספק המוחזר מ- P1 (דרך A1 ו- PC1) והוא מועבר למקלט RX TEST1. באופן דומה, האות שעובר דרך ה- DUT ויוצא מ- P2 עובר דרך A2, PC2, נדגם במצמד הכיווני DC2 ועובר למקלט RX TEST2.
כל המקלטים הם קוהרנטיים שכן הם חולקים את אותו מתנד ייחוס והם מסוגלים למדוד את משרעת אות הבדיקה ואת הפאזה בתדירות הבדיקה. האותות המורכבים ביציאת המקלטים מוזנים למעבד אשר מבצע את העיבוד המתמטי ומציג את הפרמטרים והפורמט שנבחרו בתצוגת הפאזה והמשרעת.

כאשר SW1 נמצא במצב 2 אות הבדיקה מתקדם לתוך ה- DUT דרך P2 וכך ניתן למדוד את הפרמטרים  ו- .

קישורים חיצוניים

Network Analyzer Basics (PDF, 5.69 MB), from Agilent
 Primer on Vector Network Analysis (PDF, 123 KB), from Anritsu
 Large-Signal Network Analysis (PDF, 3.73 MB), by Dr. Jan Verspecht
 Homebrew VNA by Paul Kiciak, N2PK
 Measuring Frequency Response (PDF, 961 KB), by Dr Ray Ridley
 RF vector network analyzer basics
 RF Fundamentals for Vector Network Analyzers

הנדסת חשמל
מכשירי מדידה חשמליים
כלי מעבדה
מכשירי מדידה